EP2619547A1 - Vorrichtung und verfahren zur optischen charakterisierung von materialien - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur optischen charakterisierung von materialien

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EP2619547A1
EP2619547A1 EP11760701.0A EP11760701A EP2619547A1 EP 2619547 A1 EP2619547 A1 EP 2619547A1 EP 11760701 A EP11760701 A EP 11760701A EP 2619547 A1 EP2619547 A1 EP 2619547A1
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light
detection unit
illumination
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for optically characterizing a sample and / or the material (s) thereof.
  • the characterization is carried out on the basis of the evaluation of the polarization of light which is irradiated onto the sample and reflected by the sample.
  • the device and the method can be used in particular for the surface inspection or for the sorting of bulk material by evaluating the polarization of the reflected light.
  • Object of the present invention is to provide apparatus and methods for the optical characterization of samples, in particular on the art of
  • Reflectometry or ellipsometry or based on polarimetric devices so that the samples (especially non-planar samples or specimens, for example in the form of bulk materials) can be easily and reliably characterized in terms of their / their material / ien.
  • the task is also the,
  • the present invention utilizes as a basis the techniques of reflectometry known to those skilled in the art or the
  • a basic idea of the present invention is based on identifying for and for those surface elements of the sample which reflect the light irradiated onto the sample into a detection unit designed to detect the light
  • the sample is illuminated with preferably monochromatic light.
  • Reflection elements preferably monochromatic light.
  • monochromatic light is not absolutely necessary, but usually better suited for example for samples with dispersion.
  • the term light reflected by the sample is understood as meaning all light emitted by the sample, which is finally received by means of the device according to the invention and can be used for the evaluation.
  • the reflected light is thus usually the sum of different light fractions, namely, in particular, light fractions scattered on the sample, light fractions diffusely reflected on the specimen and at the sample specularly reflected Lichtantei ⁇ len.
  • the light coming to the detection unit due to a specular reflection is also referred to as re fllected light: this light thus relates to light those surface elements of the sample which reflect the incident light on the sample in the detection unit, meeting the reflection condition.
  • An inventive device for the optical characterization of a sample (or one or more
  • a lighting unit aligned for illuminating the sample may be directed to a sample space section or space volume into which the sample is introduced for illumination).
  • This device moreover comprises a detection unit which is capable of detecting a plurality of different (preferably:
  • this device comprises an evaluation unit.
  • This can be realized, for example, as a computer program in a personal computer.
  • the evaluation unit as part of the detection unit (for example as an evaluation program integrated in a camera). With this evaluation unit are in the recorded by the detection unit imaging data
  • This device is thus for formed surface images of the sample or a sample portion formed) those imaged surface elements of the sample identifiable, their reflected light received in the detection unit light on a reflection of the incident
  • Light is based on the sample.
  • These surface elements of the sample are also referred to hereinafter as reflection elements, in contrast to those surface elements of the sample which, due to physical effects other than reflection (for example by light scattering), reflect light back into the aperture of the detection unit.
  • the evaluation unit of this device according to the invention is finally designed so that the detected different polarization components can be evaluated just for the reflection elements in order to obtain the desired optical characterization of the sample.
  • this device On the basis of this evaluation, it is then possible, for example, with this device according to the invention, to separate objects or object areas which have a narrowly tolerated range of optical material constants from objects with different optical material constants (sorting device) or to maintain optical material constants, e.g. to automatically check in a production process.
  • An essential feature of the solution according to the invention described above is thus that, if desired, e.g. by using an evaluation unit with appropriate computing capacity, too
  • the automatic recognition as to whether a particular surface element (ie an observed object point) is a reflection element, ie fulfilling the above-mentioned reflection condition for the orientation of its surface normal, can, for example as described in detail below, be reflected, for example, by an intensity check of the total of the surface element imaged or proven intensity.
  • a sample is not necessarily understood to mean a single physical object, but in a sample it may very generally also be a stream of many individual, moving objects of different materials (ie a sample stream in the context of a sorting or characterization) Bulk material, so a bulk flow) act.
  • a lighting unit used in the context of the invention does not necessarily have to be a single light source, but several suitably arranged light sources which illuminate one and the same sample can also be used in parallel become. As a rule, the reflection condition is fulfilled for each of the light sources used.
  • reflected light is understood to mean all those light components which are incident on light sources irradiated by the illumination unit and impinging on the sample. Parts go back and are not sorbed by the sample ⁇ , but by any processes (reflection, scattering, ...) leave the sample or its surface - usually in a direction other than the direction of incidence - again and thus outside the sample can be detected.
  • the illumination unit and the detection unit at the Brewster angle, if the characterization task when using the device according to the invention consists in recognizing the presence of a defined material or individual elements of this defined material identify a sample comprising a plurality of objects of different materials (the Brewster angle set in the device is then the Brewster angle of that material).
  • This arrangement below the Brewster angle is advantageous, in particular, for the reason that the beam components reflected on samples or sample elements of this material merely comprise one
  • the evaluation unit is designed so that in the recorded image data first the reflection elements are identifiable before the detected different polarization components can be evaluated for these (or on the basis of) identified reflection elements.
  • the reflection elements can be ascertained on the basis of an evaluation of the overall intensities of the individual surface elements (or the image pixels of the images detected by the detection unit) by identifying those surface elements as reflection elements whose total intensity (sum of the intensities of all detected polarization components) is above a defined threshold value (eg the threshold value can be defined as the intensity value above which the intensity of 20% of all imaged surface elements lies). Only for the reflection elements identified in this way are the different (eg orthogonal) polarization components evaluated, eg viewed separately, or viewed with regard to their intensity ratios.
  • all imaged surface elements (these include both imaged surface elements of the sample and imaged surface elements of not belonging to the sample, but still imaged structures) first the detected different polarization components, for example separately or to consider according to their conditions and for For (for example by thresholding) ⁇ values to determine those surface elements of the sample which are reflective elements.
  • all surface elements whose intensity exceeds a predetermined threshold value for a defined polarization component in the image data can be defined as reflection elements.
  • the different polarization components are then further evaluated (for example by forming the intensities in different polarization components corresponding to the imaging data or polarization fields acquired by the detection unit) in order to carry out the optical characterization of the sample.
  • the inventive device is designed so that the
  • Determination of the reflection elements are used. It is also possible to use the total intensity of all detected by the detection unit polarization components of the light for imaging light for identification of the reflection elements.
  • those surface elements are identified as reflection elements whose associated image values in the images acquired by the detection unit are in total above a predefined threshold value.
  • a threshold value can be defined for example as 90% / 10% -threshold, that are defined by the fact that 90% of the total intensity values of all illustra ⁇ ter surface elements are below this threshold value and 10% above.
  • the reflective elements can also be defined on the basis of their position in accordance with the different Po ⁇ larisa tion of play (or corresponding to the received total intensity) produced images of the sample: For this purpose, the position of the FLAE ⁇ chenetti (eg, taking into account their intensities) relative to each other and / or relative to one or more reference point (s) are evaluated in the images of the sample. In particular, center points or edge points of images of the sample can serve as reference points.
  • a contemplated surface element is a reflection element of the sample, it can then be determined-in addition to the above-described threshold value-that the reflection elements must be located within the thus-detected outlines of individual sample elements.
  • those surface elements whose intensity or brightness is below the above-described, adjustable threshold, not reflection elements but scattering elements.
  • surface elements are not reflection elements of the sample. Further evaluation of these surface elements is therefore not meaningful.
  • the evaluation of the identified reflection elements for the purpose of optical characterization of the sample is carried out as follows: From different, for the identified reflection elements of the Detektionsseinhei t polarization shares (eg from two mutually orthogonal linear polarization fractions) a relationship is formed. This can be done, for example, by dividing the intensity value in the image recorded for a first polarization component by the intensity value of the corresponding reflection element in the image recorded for a second, different (eg, orthogonal) polarization component for all the surface elements identified as reflective elements ,
  • the ratio thus formed exceeds or falls below a certain value for a certain minimum number of reflection elements (relative to the total number of surface elements and / or reflection elements), then a statement can be made about the presence or absence of a defined material in Take the sample: If, for example, a reflection condition for the reflection ele- on the other hand, in the triangle formed by the detection unit, the illumination unit and the sample, set the angle between the optical axis of the detection unit on the one hand and the optical axis of the illumination unit to twice the Brewster angle of a searched material (the reflection elements are then those surface elements the sample whose normal halves the angle between the two aforementioned axes), all those reflection elements that can be assigned to the sought material reflect only polarized light components parallel to the surface of the sample, but not light components with a polarization direction perpendicular thereto. However, this can be detected via a corresponding threshold setting for the ratio calculated as described above, so that it is possible to distinguish sample elements of the sought-after material from sample elements made of a different
  • the ratio of intensities of different polarization components is within a certain range in order to distinguish defined materials from other materials.
  • the absolute number of pixels or area elements in the imaging data recorded by the detection unit for which the ratio calculated as described above exceeds or falls below a threshold value, can also be used as the sorting criterion.
  • Decisive in the case of the previously described embodiments of the invention is the consideration that, even with irregular surfaces of samples (eg of bulk materials), it is necessary for each object or
  • Element of the sample at least one point, so a surface element, which meets the reflection condition, with which the object can thus be characterized.
  • Lighting unit has only a single lighting element (for example, a single monochromatic light source, see Example 1 below).
  • the illumination unit may also comprise a plurality of individual illumination elements, which are designed to illuminate the sample with incident light from different directions.
  • the angle between the detection unit or its optical axis, on the one hand, and the respective illumination element or its optical axis, on the other hand can be identical in all lighting elements in the triangle defined by the detection unit, the corresponding illumination element and the sample.
  • two or four individual lighting elements can be used.
  • the illumination elements can be arranged on the side of the sample opposite the detection unit and in a plane which is preferably aligned perpendicular to the optical axis of the detection unit.
  • the individual illumination elements can be arranged at equidistant angular intervals on a circle around the optical axis of the detection unit in this plane.
  • they can be arranged at angular intervals of 90 ° on a circle around the optical axis of the detection unit around.
  • the angular relationships described above for the lighting unit eg setting to a Brewster angle for a defined material
  • All devices for optical characterization described in the context of the present invention can be designed as a sample by suitably providing further components (for example sample storage units, etc.) for surface testing of planar coatings.
  • the devices for characterizing, differentiating and / or separating individual elements of a sample comprising a large number of elements can be done, for example, by arranging the illumination unit and the detection unit for illuminating and imaging a free fall-distance piece, for example below a vibrator for bulk material.
  • conveyor belt sections on which bulk material is transported can also be illuminated by the lighting unit and scanned by the detection unit.
  • the latter devices can then also be used, in particular, to sort out sample elements which are separated from one or more predefined material parameters (s) (the one for the optical Characterization by evaluation of Reflexionsele ⁇ elements is / are determined), be formed.
  • the devices according to the invention described above can be designed as a laser scanner system with a sample or the sample space section in which this sample is arranged, one or two-dimensional scanning abscannenden lighting unit based on one or more laser (s) and with one or more suitable receiving unit (s ) as a detection unit.
  • illumination unit or illumination element Alternatively, however, it is also possible to use one or more monochromatic light sources as illumination unit or illumination element (s).
  • the illumination of the sample is advantageously carried out with one or more defined wavelength (s) in the visible range; however, in principle it is also conceivable, e.g. Infrared radiation to use for lighting, if then the receiving units are adjusted accordingly.
  • a camera used in a reflection arrangement as described above with which, for example, two orthogonal polarization components can be detected for each scanned surface element, one out be two single cameras existing camera.
  • a polarizing optical element for example, prism or beam splitter
  • the light of the one polarization component is then directed by the polarizing optical element to the one single camera, the light of the other polarization component to the other of the two individual cameras. It is advantageous to provide a pixel adjustment to match the position of the detected reflection elements in the images of the two individual cameras.
  • a multi-cell camera may be provided, wherein in the beam path in front of this camera, a number of polarizers corresponding to the number of lines of the camera is provided.
  • the two or more polarization directions are detected by the camera: Before the individual lines of the camera alternately polarizers of one type and the other type are arranged with two different polarizers, so alternately on the camera lines each light of a first polarization and a second part, for example, orthogonal to the first polarization component Polarization component is mapped.
  • a camera may be used which comprises a polarization strip filter or a polarization mosaic filter in the beam path in front of its sensor chip.
  • a filter decomposes the light reflected from the sample into the different polarization components, which are then directed line by line or according to the mosaic arrangement of the filter onto the respective sensor cells of the camera chip (which sensor cells of the chip receive light of which polarization component is known from US Pat that the evaluation can be done accordingly).
  • a plurality of differently polarized illumination subunits e.g., single lamps
  • the individual illumination subunits are switched on and off in succession, thus illuminating the sample one after the other for a predefined period of time.
  • the individual polarization components are then detected during different, precisely defined time intervals of the entire camera surface of a non-polarization-sensitive camera (preferably, a multicellular camera is used), the differently polarized illuminations are thus virtually flashed. If the device is used for moving samples (bulk material flow), the flash frequency or the frequency of the switching between the individual illumination
  • Subunits advantageously synchronize with the sample speed.
  • This synchronization has the following advantage:
  • the sample is in the sampling (eg on a corresponding drop distance or flight path in a parabola-like ejection of a Conveyor belt) in motion, that is, the image of the sample shifts in the individual to the Auswer ⁇ tion temporally successive recorded camera images in these camera images, so changes its location in the individual camera images.
  • Another camera-based system structure according to the invention for the illumination unit and the detection unit uses an LED illumination in which the individual LED illumination elements which emit light of a wavelength are arranged such that for each pixel or for each imaged surface element entire sample surface to be scanned (entire camera image) the same reflection condition is given. This can be achieved by different inclination angle of the individual LED elements in a bar, by an arrangement of these elements on a curved board or flat arrangement of the LED elements by a lens attachment.
  • the illumination unit used with means for changing and / or adjusting the polarization of the illumination for example LC element as used in LC displays.
  • the illumination of the sample can then, as in the above-described "flash", carried out successively with different polarization states. For each loading leuchtungs-polarization state can as described above, captures various polarization components for Reflexionselernente and are ranked from ⁇ then.
  • the illumination unit and the detection unit together with a polarization-preserving retroreflector: in the case of a laser used as illumination unit in the form of a laser scanner and a receiver designed as a suitable detection unit (in particular a polarization-maintaining beam splitter for splitting the incident laser light into two Partial beam paths and, in these Railstrahlengän ⁇ gene, polarizing optical elements may have), the illumination unit and the detection unit may also be formed as an integrated transmitting and receiving unit.
  • a retroreflector is then to be provided, with the combined transmitting and receiving unit and the retroreflector being designed and arranged as follows: In the combined transmitting and receiving unit, the transmitter and receiver beam paths are coupled to the same axis via a beam splitter. The transmitter illuminates the sample, and the portions of the beam reflected by the sample (that is, scattered, diffusely reflected, or specularly reflected) are reflected back into the retroreflector and pass, preferably via the reflector
  • the receiver is in the above-described case
  • Retroreflector arranged. This has the advantage that, as long as the beam components pass through the object into the combined transmitting and receiving unit, the radiation is reflected twice on the sample or on the object. There is thus an improved
  • the detection unit then comprises a receiver suitable for receiving the laser light returned by the sample with one or more optical elements for separating the received laser light according to the different polarization components.
  • a plurality of receiving elements are formed, the number of which corresponds to the number of sub-beams resulting from the separation.
  • the evaluation unit can determine, for example by checking the received total intensity, whether surface elements are reflection elements of the sample, that is to say fulfill the reflection condition.
  • the evaluation unit of the above-described devices for optical characterization according to the invention is designed such that the reflection elements of the sample can be identified with it (for example by evaluating the total intensity received by each object point as a criterion for whether the corresponding object point fulfills the reflection condition, ie has the necessary orientation for further evaluation of its surface).
  • the reflection elements are then further evaluated by means of the evaluation unit for the optical characterization of the sample, ie one or more processing stages are provided in order to carry out an overall characterization of the sample by evaluating the significant surface elements or the reflection elements.
  • additional delay elements eg ⁇ / 4 plates
  • additional delay elements eg ⁇ / 4 plates
  • further beam splitters or filters in front of the detection unit or its light-sensitive surface.
  • Alignment, adjustment and arrangement of such delay elements and / or beam splitters or filters can be carried out so that the determination of further Stoes parameters is possible.
  • a monochromatic coherent illumination unit can also be used
  • the sample is to be placed between the illumination unit and the detector.
  • the retroreflector is behind the sample.
  • this is a
  • the device can therefore also be used as a transmission system or
  • the device according to the invention for optical characterization comprises the following elements: a laser (illumination unit) aligned with incident light for one or two-dimensional scanning of a sample space section in which the sample can be introduced. To receive the reflected by the sample light is to receive
  • Laser light suitable receiver provided as a detection unit.
  • This receiver comprises a first, preferably polarization-maintaining beam splitter for splitting the laser light incident on the receiver into a first and a second partial beam path.
  • a polarizing optical element for example polarizing prism or polarizing beam splitter
  • one receiving element is provided in the beam path of each of the two polarization components thus separated, with which the respective polarization component can be detected (thus a total of four receiving elements are provided, two in each of the above-described
  • Partial ray paths Only in one of the two Partial beam paths, moreover, a polarization-changing element is provided after the beam ⁇ divider and in front of the polarizing optical element, with which the polarization of this partial beam path can be changed.
  • This change element may in particular be a retardation plate, which is preferably formed as a ⁇ / 4 plate.
  • the evaluation unit of the device is designed so that it can be used to completely determine the polarization state of the light reflected from the sample for the optical characterization of the same on the basis of the different polarization components detected by the plurality of receiver elements of the receiver.
  • the beam splitter, the polarizing optical elements, the modifying element and the four receiving elements can be arranged, arranged and adjusted such that three out of four Stokes parameters of the reflected back
  • Light can be calculated from the detected different polarization shares. Since the incident laser light is completely polarized, the determination of three of the four Stokes parameters is sufficient to obtain the fourth (assuming a constraint for monochromatic, coherent light)
  • Light can then be e.g. Different materials of different sample elements of a bulk sample can be identified and distinguished.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention using a single lighting element as a lighting unit.
  • Figure 2 shows another embodiment of the invention, in which the lighting unit consists of two separate lighting elements.
  • FIGS. 3a to 3d show examples of the identification of a defined material in a bulk material flow of different materials.
  • FIG. 4 shows an example of a device according to the invention designed as a test system for coatings.
  • Figure 5 shows another embodiment of the invention, which is designed to fully characterize the polarization state of the reflected light.
  • FIG. 1 a shows a device according to the invention designed to characterize individual sample elements or specimens P in the form of a bulk material sorting system.
  • the individual objects of the bulk material flow or the sample P are transported on a flat conveyor belt 30, the outer surface on which the elements of the sample P come to rest, is white. This serves to better identify the individual sample elements in the image (see below).
  • the conveyor belt 30 is driven by two rollers 31, 32; the transport of the sample elements P takes place here in the image to the right (arrows); other elements of the bulk material sorting device (eg blowing units or collecting container for the Probenele ⁇ elements of different materials) are not shown here.
  • the illumination unit 2 of the device shown comprises a monochromatic light source 21, which is embodied here as an LED strip emitting in the green region (550 nra).
  • a diffuser 22 is arranged, which reduces the modeling of the LED structure 21. in the
  • the lighting unit 2 also has a polarizer 23 on.
  • the optical axis of the lighting unit 2 consisting of the elements 21, 22 and 23 is designated here by the reference numeral 2o.
  • the corresponding conveyor belt section is provided here with the reference numeral 7.
  • the detection unit 3 of the system shown is arranged in the same half space as the lighting unit 2 (ie in the half space above the conveyor belt 30), however, based on the conveyor belt section 7 illuminated by the lighting unit 2 or the sample space section 1 seen, arranged on the lighting unit 2 opposite side of this half-space.
  • the optical axis of the detection unit 3 designed as a polarization camera is designated here by the reference numeral 3o.
  • the illumination unit 2 or its optical axis 2o, the center of the sample space section 1 or the illuminated conveyor belt section 7 and the detection unit 3 or the optical axis 3o dersel ⁇ ben form an isosceles triangle whose long side through the connecting line light source 2 - detection unit 3 and its catheters through the connecting lines light source 2 - sample space section 1, 7 and sample space section 1, 7 - detection unit
  • the detection unit 3 is an evaluation unit
  • the operation of the device shown in Fig. La) will be described below.
  • the device is set to distinguish sample elements made of zirconium from sample elements made of glass.
  • the angle ⁇ ⁇ 63 ° was set to the Brewster angle of the material zirconium.
  • the evaluation or optical characterization is based on the idea that the illumination unit
  • each sample element P there is at least one surface element whose normal is parallel to the normal N or to the normal
  • Bisector of the two optical axes 2o, 3o is aligned.
  • the incident radiation E strikes the surface of the sample element P just below the Brewster angle ⁇ ⁇ of zirconia.
  • Fig. Lb outlines how those surface elements for which this reflection condition is met, which are reflection elements 5 of the sample elements P, of other imaged surface elements of the sample or imaged surface elements of the background or the conveyor belt surface (these surface elements are summarized below as
  • scattered light from scattering elements 6 can be distinguished from reflected light from reflection elements 5 by evaluating the intensity of a polarization component recorded by the polarization camera 3 (see below) or by evaluating the incident total intensities of all detected polarization components. So be it therefore the reflection elements act 5, for example, a significantly higher on the corresponding picture element of the Polari ⁇ sationsannon 3 incident total intensity as the diffusion elements 6.
  • the two types 5, 6 may of area elements by setting a saustimm ⁇ th threshold value (for example, of an average intensity can be determined over the entire image) can be distinguished.
  • Surface elements 5 which fulfill the reflection condition are therefore particularly bright in the figure. These surface elements 5 alone are then further evaluated to characterize the sample P or its individual sample elements. To make sure that it is with the specific
  • Reflecting elements 5 are actually also imaged surface elements of sample elements P (and not, for example, on the white background or on the surface of the conveyor belt 30 reflected light components), the position of the potential candidates for reflection elements 5 in the entire recorded image can be further evaluated by the For example, the position, size and shape of the individual sample elements of the sample P can be ascertained (search for closed curves in the image derived once or twice and treated with threshold value) by means of image processing algorithms known to those skilled in the art. Reflection elements R can then be only those surface elements or points in the image that come to rest within the image of a sample element or within such closed curves. For the determination of the reflection elements 5, therefore, a combination of intensity and position evaluations can be used (only particularly bright surface elements in the middle region of the image of a bulk material object P can thus be found in FIG System of Fig. 1 reflection elements 5).
  • the further evaluation of the identified reflection elements 5 in the image of the camera 3 and the sample material characterization based thereon then take place as follows:
  • the polarization camera 3 is designed to separate two orthogonal polarization components, namely the polarization component of the incident parallel to the plane of incidence of the reflection elements 5 (plane parallel to the conveyor belt surface) Light E and the perpendicular thereto incident polarization component. If an imaged sample element P is an element made of zirconium, then, since the Brewster condition is satisfied here, only polarized light is reflected parallel to the plane described above.
  • FIG. 3d show examples of the differentiation of diamond and quartz glass ( Figures 3a to 3c) and of zirconium crystals in a bulk flow P of such crystals, broken glass and metal rings ( Figure 3d).
  • the polarizer 23 has been adjusted for Fig. 3d such that the conveyor belt surface
  • FIG. 3a shows, as can be seen from the Fresnel formulas, by calculation of curves for the relative reflection
  • the figure clearly shows the different Brewster angles for the two materials; For the separation of the two substances can thus an order under the Brewster angle ⁇ ⁇ of the sought
  • An increase in the sensitivity for the separation of the two substances can be done by adjusting the lighting.
  • the illumination by means of the polarizer 23 can be set such that for the contaminant (for example glass or metal) the two reflected intensities are equal.
  • This setting can be done by means of the polarizer 23 so, then an impurity sample in the
  • FIG. 3b once again shows the degree of reflection for the example of diamond / quartz glass, likewise (cf., FIG. 3a) as a function of the angle of incidence ⁇ .
  • the blue-to-red channel ratio is then highest on the zirconium crystal surface-facing surface elements 5 aligned parallel to the conveyor belt surface.
  • the ratio can thus be used to identify the zirconium crystals in the individual sample elements of the bulk material flow.
  • Zirconia crystals are marked.
  • the glass shards (further irregular elements in FIG. 3d on the left) and a metal ring present in the bulk material flow (FIG. 3d, top left) remain dark, so are not identified.
  • FIG. 4 outlines a further test procedure that can be achieved with the device according to the invention shown in FIG. 1: Paper / gauze is coated with petroleum jelly during production. We are looking for one
  • the polarization degree of the imaged surface elements can thus be calculated from the intensities B of the blue channel and the intensities R of the red channel as follows: B / (B + R).
  • the coated area fraction of the total area fraction can be evaluated.
  • a diffuser 22a, 22b and a polarizer 23a, 23b are arranged behind each illumination element 2a, 2b in a manner similar to that shown in FIG.
  • the detection unit 3 and the evaluation unit 4 (not shown here) are similar to the case described in FIG. 1 (differences see below).
  • the device shown is designed as a bulk material sorting device in which the bulk material (of which only a single sample element P is shown here) passes through a sample space section 1 in the form of a free fall section 6f below a vibrator (not shown).
  • the optical axis 3o of the polarization camera 3 lies here in a horizontal plane perpendicular to the direction of fall F of the sample elements P.
  • a lighting element 2a, 2b (together with the associated diffuser 22a, 22b and polarizer 23a, 23b ) arranged.
  • the angle between the two optical axes 2oa and 2ob of the two illumination elements 2a, 2b and the horizontal plane described above is the same, the illumination elements 2a, 2b and the camera 3 are arranged so that their optical axes 2oa, 2ob and 3o in a plane perpendicular to the horizontal plane described above.
  • the bisector N a separates the angle subtended by the two optical axes 2oa and 3o or the angle of incidence E a of the upper illumination element 2 a and the reflection direction Z 1 into two equal angles ⁇ & ⁇ , de corresponding to the Brewster angle ⁇ ⁇ be formed in the sample stream P to be identified material.
  • the bisector N b separates the through the optical axis 2ob of the lower illumination element 2 b (ie the incident light E b ) and the optical axis 3 o of the polarization camera 3 (or the corresponding reflected reflected imaged light portion Z1) spanned angle into two equal angle sections 0 bB .
  • Q aB Q b applies here. Both illumination elements 2 a and 2 b are therefore at one and the same angle
  • the reflection condition for the subsystem consisting of the illumination unit 2a and the camera 3 is fulfilled at a later time than for the further subsystem consisting of the illumination element 2b and the camera 3: If a sample element P fails the fall distance F shown
  • surface elements lying on its rear side meet the reflection condition, ie are reflection elements 5, if the sample element P under consideration is positioned with its rear side at the level of the horizontal plane of the optical axis 3o, ie this horizontal plane is straight
  • reflection elements 5 candidate surface elements of the sample P must thus be in the images continuously recorded by the camera 3o first on the front and then on the back of the imaged object (which can be identified by eg gradient-based image processing mechanisms based on its outline).
  • the conditions for identifying the reflection elements 5 differ from those of the system shown in FIG. 1, in which the reflection elements 5 must lie approximately in the middle of the images of the individual identified sample elements.
  • the evaluation of the different polarization components for the identified reflection elements for the optical characterization of the sample P can be carried out quite analogously as in the case described for FIG.
  • a lighting unit which, instead of two lighting elements 2 a, 2 b, comprises four lighting elements which are arranged in a plane perpendicular to the optical axis 3 o and equidistant on a circle around this optical axis 3 o (angular distances of individual lighting elements 90 °) are arranged. Similar to the case shown in FIG. 2, illumination then takes place in such a way that surface elements on the edge of the objects P from four cardinal directions are intensity-based on whether they have matching surface normals N. Thus, a characterization of the falling sample elements P of the bulk material flow with up to four points is possible.
  • Brewster angle 9 aB QbB eg by blue Stammele ⁇ elements at a second, later time (scanning the front), red pixels at a first later time (scanning the left and right sides) and by further blue pixels to a third, even later time (scanning the back) marked.
  • FIG. 5 shows a further device according to the invention for the optical characterization of a flat, layered sample P in a sample space section 1 on the basis of a laser scanner system.
  • the laser 2 which scans the sample space section 1 perpendicularly to the direction of incidence E of the light as the illumination unit, emits light at the angle of incidence ⁇ (angle between the sample normal N and the direction of incidence E of the laser light) onto the sample surface of the sample P. See Figure 5 top right, the one
  • Section perpendicular through the irradiated sample surface shows and Figure 5 right center, which shows a plan view of the irradiated sample surface, ie a view in the direction of the normal N.
  • the light Z reflected under the corresponding angle of reflection ⁇ (reflection law) is fed to the receiver 3 shown in FIG. 5, left and center, for evaluation.
  • the device shown in FIG. 5 is based on the consideration that the emission laser 2 of the scanner shown emits monochromatic, coherent radiation, so that the radiation received by the sample
  • the receiver 3 shown now comprises in the beam direction of the reflected light component Z in the beam path successively the following components:
  • a concave mirror 40 designed to focus the light component Z reflected on the sample surface P onto a beam splitter plate 8.
  • the polarization-maintaining beam splitter plate 8 with the respective 50% of the incident, reflected radiation Z is divided into a first partial beam path Tl and a second partial beam path T2.
  • Delay plate ( ⁇ / 4 plate) 9 which directs the light of the first partial beam path Tl to a first polarization beam splitter 10a, which is designed to distinguish two mutually orthogonal polarization components of the incident light.
  • the first of these two polarization components is detected with a first receiving element IIa, the other of these two polarization components with a further receiving element IIb (intensity detectors).
  • the second partial beam path T2 is basically the same as the first partial beam path T1.
  • the delay plate 9 is omitted, so that in this partial beam path only a second polarization beam splitter 10b and two further receiving elements 11c and lld are arranged, with which the two mutually orthogonal polarization components in the second partial beam path T2 are detectable.
  • the four receiving elements IIa to lld are then connected via birectal signal lines with an evaluation unit 4 (not shown).
  • the polarization state of the reflected radiation Z can thus be completely characterized as follows:
  • the intensities Io and Igo are determined for two linear, mutually orthogonal polarization components.
  • the combination of the retardation plate 9 and the divider 10a gives a
  • Beam splitter for splitting the incident light into right circular and left circular polarized
  • V IRZ - ILZ /
  • the optical characterization apparatus shown in FIG. 5 thus enables the calculation of the complete state of polarization of the reflected light component Z from the received signal intensities of the four receiver elements IIa to IId. Since the polarization state of the reflected light Z depends on the sample material of the sample P being examined, the material characterization apparatus of the sample P shown in Fig. 5 can be used.
  • the receiver beam path and the transmitter beam path are realized in the same housing (integrated transmitter and receiver unit), a corresponding characterization of the material can take place, provided that the light reflected on the sample hits a retro-reflector which returns the beams back to the combined transmission Receiver unit reflected. In contrast to the arrangement with separate transmitter and receiver, however, the light is reflected twice on the sample. The polarization effects on the

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Charakterisierung einer Probe und/oder des/der Materials/ien derselben mit einer zur Beleuchtung eines Probenraumabschnitts, in den die Probe einbringbar ist, mit einfallendem Licht ausgerichteten oder ausrichtbaren Beleuchtungseinheit, einer zum Abbilden der in den Probenraumabschnitt eingebrachten Probe durch Empfang von durch die Probe zurückgeworfenem Licht ausgerichtete oder ausrichtbare Detektionseinheit, die zum Erfassen mindestens zweier unterschiedlicher, bevorzugt zweier orthogonaler, Polarisationsanteile im zurückgeworfenen Licht ausgebildet ist, und einer Auswerteeinheit, mit der in den von der Detektionseinheit aufgenommenen Abbildungsdaten diejenigen abgebildeten Oberflächenelemente (Reflexionselemente) der Probe identifizierbar sind, deren zurückgeworfenes, empfangenes Licht auf einer Reflexion des einfallenden Lichts an der Probe beruht, und mit der die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile für diese Reflexionselemente zu der optischen Charakterisierung auswertbar sind.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optischen Charakterisierung von Materialien.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Charakterisierung einer Probe und/oder des Materials (bzw. der Materialien) derselben. Die Charakterisierung erfolgt dabei auf Basis der Auswertung der Polarisation von Licht, das auf die Probe eingestrahlt und von der Probe zurückgeworfen wird. Die Vorrichtung und das Verfahren können insbesondere für die Oberflächeninspektion oder auch für die Sortierung von Schüttgut durch die Auswertung der Polarisation des zurückgeworfenen Lichts eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur optischen Charakterisierung von Proben auf Basis der Reflektometrie oder der Ellipsometrie bekannt. Siehe beispielsweise Thomas Geiler „ Polarisationsbildgebung in der industriellen Qualitätskontrolle", VDM Verlag, August 2008. Auch sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen zur Klassifikation von Proben in Form von Schüttgut bekannt (WO 2009/049594 A) , die auf Basis von an einem Retroreflektor , der polarisationsselek- tiv sein kann, reflektierten und hinsichtlich seiner unterschiedlichen Polarisationsanteile erfassten Licht arbeiten.
All diese Realisierungen setzen jedoch entweder eine ebene Oberfläche der Prüflinge voraus oder es wird eine zeitaufwändige, gleichzeitige Variation des Einfalls- und des Ausfallswinkels durchgeführt. Oft wird zusätzlich noch eine Variation der Polarisation der Beleuchtung durchgeführt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Vorrichtungen und Verfahren zur optischen Charakterisierung von Proben, insbesondere auf der Technik der
Reflektometrie oder der Ellipsometrie bzw. Polarimet- rie basierende Vorrichtungen (und entsprechende Verfahren) so weiterzubilden, dass die Proben (insbesondere auch nicht ebene Proben oder Prüflinge z.B. in Form von Schüttgütern) einfach und zuverlässig hinsichtlich ihres/ihrer Materials/ien charakterisiert werden können. Aufgabe ist es insbesondere auch, die
Vorrichtungen und die entsprechenden Verfahren so auszubilden, dass diese Charakterisierung schnell (im Bereich von einigen 1/10 Sekunden bis einigen wenigen Sekunden) , also schritthaltend, mit der Produktion von Proben (in-line) oder mit einem Schüttgutstrom erfolgen kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der erfindungsgemä- ßen Vorrichtungen und des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens lassen sich jeweils den abhängigen Patentansprü¬ chen entnehmen. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein, dann anhand verschiedener Ausführungsbei- spiele im Detail beschrieben. Die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen einzelnen, in Kombination miteinander verwirklichten Merkmale der Erfindung müssen dabei im Rahmen der Erfindung nicht genau in der im jeweiligen Ausführungsbeispiel gezeigten Merkmalskombination verwirklicht sein, sondern können auch in anderen Kombinationen miteinander verwirklicht werden. Insbesondere können einzelne der ge- zeigten Merkmale auch weggelassen werden oder auf andere Art und Weise mit weiteren gezeigten einzelnen Merkmalen der Ausführungsbeispiele kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung, wie sie nachfolgend be- schrieben ist, nutzt als Grundlage dem Fachmann bekannte Techniken der Reflektometrie oder der
Ellipsometrie . Die entsprechenden Grundlagen sind beispielsweise in H.G. Tompkins, W.A. McGahan
„Spectroscopic Ellipsometry and Reflectometry" , Wiley Interscience, 1999 oder in M. Faupel „Abbildende
Ellipsometrie und ihre Anwendung", VDI-Berichte Nr. 1996: Optische Messung technischer Oberflächen in der Praxis; 2007 bekannt und werden daher im Folgenden nicht im Detail beschrieben.
Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, für diejenigen Oberflächenelemente der Probe, die auf die Probe eingestrahltes Licht in eine zum Nachweis des Lichts ausgebildete Detektionsein- heit reflektieren, zu identifizieren und für diese
Oberflächenelemente der Probe (nachfolgend auch als Reflexionselemente bezeichnet) unterschiedliche Pola¬ risationsanteile des zurückgeworfenen Lichts zu erfassen und auszuwerten. Die Probe wird hierzu mit bevorzugt monochromatischem Licht beleuchtet. (Mono¬ chromatisches Licht ist nicht unbedingt erforderlich, jedoch z.B. bei Proben mit Dispersion i. d. R. besser geeignet.) Alternativ hierzu oder in Kombination da¬ mit ist es erfindungsgemäß ebenfalls möglich, zur Beleuchtung der Probe monochromatische, kohärente
Strahlung (Laserlicht) zu verwenden und, durch geeig¬ nete Ausbildung der die an der Probe reflektierten Strahlenanteile empfangenden Detektionseinheit , sämt¬ liche vier Stokes-Parameter zu berechnen und zur Charakterisierung des an der Probe reflektierten Lichts (und somit zur Charakterisierung der Probe selbst) heranzuziehen. In jedem Fall werden somit mindestens zwei unterschiedliche (vorzugsweise: orthogonale) Po¬ larisationsanteile im zurückgeworfenen Licht detek- tiert. (Alternativ zum Begriff des Polarisationsanteils wird nachfolgend im Rahmen der Erfindung auch der Begriff des „Polarisationszustands" verwendet, obwohl Licht streng genommen lediglich einen Polarisationszustand aufweisen kann; dem Fachmann ist jedoch anhand der Beschreibung jeweils klar, was gemeint ist . )
Dabei wird im Rahmen der nachfolgend beschriebenen Erfindung unter dem Begriff des von der Probe zurückgeworfenen Lichts all dasjenige von der Probe ausgehende Licht verstanden, was schließlich mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung empfangen wird und zur Auswertung herangezogen werden kann. Bei dem zurückgeworfenen Licht handelt es sich somit i.d.R. um die Summe aus unterschiedlichen Lichtanteilen, nämlich insbesondere aus an der Probe gestreuten Lichtanteilen, an der Probe diffus reflektierten Lichtanteilen und an der Probe spiegelnd reflektierten Lichtantei¬ len. (Zurückgeworfenes Licht betrifft also gerade diejenigen Lichtanteile, die in die Detektionseinheit gelangen und nicht diejenigen Lichtanteile, die zur Beleuchtungseinheit zurückgelangen.) Nachfolgend wird das aufgrund einer spiegelnden Reflexion zur Detektionseinheit gelangende Licht abgekürzt auch als re¬ flektiertes Licht bezeichnet: Diese Licht betriff somit Licht derjenigen Oberflächenelemente der Probe, die das auf die Probe eingestrahlte Licht unter Erfüllung der Reflexionsbedingung in die Detektionseinheit zurückwerfen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Cha- rakterisierung einer Probe (oder eines oder mehrerer
Materialien derselben) kann somit die folgenden Elemente umfassen: Zunächst eine zur Beleuchtung der Probe ausgerichtete Beleuchtungseinheit (die Beleuchtungseinheit kann auf einen Probenraumabschnitt bzw. ein Raumvolumen gerichtet sein, in den/das die Probe zur Beleuchtung eingebracht wird) . Diese Vorrichtung umfasst darüberhinaus eine Detektionseinheit, die zum Erfassen mehrerer unterschiedlicher (bevorzugt:
orthogonaler) Polarisationsanteile ausgebildet ist. Die Detektionseinheit ist so ausgerichtet, dass von der Probe zurückgeworfene Lichtanteile des auf die Probe eingestrahlten Lichts erfasst werden können. Schließlich umfasst diese Vorrichtung gemäß der Erfindung eine Auswerteeinheit. Die kann beispielsweise als Computerprogramm in einem Personal Computer realisiert sein. Ebenso ist es aber denkbar, die Auswerteeinheit als Teil der Detektionseinheit auszubilden (z.B. als in eine Kamera integriertes Auswerteprogramm) . Mit dieser Auswerteeinheit sind in den von der Detektionseinheit aufgenommenen Abbildungsdaten
(diese erfindungsgemäße Vorrichtung ist somit zur flächigen optischen Abbildung der Probe bzw. eines Probenabschnittes ausgebildet) diejenigen abgebildeten Oberflächenelemente der Probe identifizierbar, deren zurückgeworfenes, in der Detektionseinheit emp- fangenes Licht auf einer Reflexion des einfallenden
Lichts an der Probe beruht. Diese Oberflächenelemente der Probe werden nachfolgend auch als Reflexionselemente bezeichnet, im Gegensatz zu denjenigen Oberflächenelementen der Probe, die aufgrund anderer physi- kalischer Effekte als einer Reflexion (z.B. also durch eine Lichtstreuung) Licht in die Apertur der Detektionseinheit zurückwerfen. Die Auswerteeinheit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist schließlich so ausgebildet, dass die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile gerade für die Reflexionselemente ausgewertet werden können, um die gewünschte optische Charakterisierung der Probe zu erhalten.
Auf Basis dieser Auswertung ist es dann beispielsweise möglich, mit dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung Objekte oder Ob ektbereiche, die einen eng tolerierten Bereich an optischen Materialkonstanten aufweisen, von Objekten mit abweichenden optischen Materialkonstanten zu trennen (Sortiereinrichtung) oder die Einhaltung von optischen Materialkonstanten z.B. in einem Produktionsprozess automatisch zu überprüfen.
Insbesondere ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Schüttgutsortierung möglich.
Ein wesentliches Merkmal der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Lösung (Vorrichtung oder auch Verfahren zur optischen Charakterisierung unter Verwendung einer solchen Vorrichtung) ist somit dass, sofern gewünscht, z.B. durch Einsatz einer Auswerteeinheit mit entsprechender Rechenkapazität, auch
schritthaltend mit einer Produktion oder auch mit einem Schüttgutstrom, mehrere unterschiedliche (z.B. zwei orthogonale) Polarisationsanteile im durch die Probe zurückgeworfenen Licht für genau diejenigen Oberflächenelemente der Probe ermittelt werden können, deren Normale den Winkel zwischen Beleuchtungs- einheit und Detektionseinheit halbiert, die also die
Reflexionselemente der Oberfläche der Probe darstellen. Die automatisch Erkennung, ob ein bestimmtes Oberflächenelement (also ein beobachteter Objektpunkt) ein Reflexionselement ist, also die vorstehend genannte Reflexionsbedingung für die Orientierung seiner Oberflächennormale erfüllt, kann, wie nachfolgend noch im Detail beschrieben, beispielsweise durch eine Intensitätsprüfung der von dem abgebildeten Oberflächenelement insgesamt zurückgeworfenen bzw. nachgewiesenen Intensität erfolgen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer Probe nicht notwendigerweise ein einzelnes körperliches Objekt verstanden, es kann sich bei einer Probe ganz allgemein auch um einen Strom vieler einzelner, bewegter Objekte unterschiedlicher Materialien (also um einen Probenstrom im Rahmen eines zu sortierenden bzw. zu charakterisierenden Schüttgutes, also einen Schüttgutstrom) handeln. Wie nachfolgend anhand kon- kreter Beispiele noch detailliert beschrieben, muss es sich bei einer im Rahmen der Erfindung eingesetzten Beleuchtungseinheit nicht notwendigerweise um eine einzelne Lichtquelle handeln, sondern es können auch parallel mehrere geeignet angeordnete Lichtquel- len, die ein und dieselbe Probe beleuchten, eingesetzt werden. In der Regel ist dann für jede der eingesetzten Lichtquellen die Reflexionsbedingung erfüllt. Unter zurückgeworfenem Licht werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung all diejenigen Lichtantei- le verstanden, die auf durch die Beleuchtungseinheit eingestrahlte und auf die Probe auftreffende Lichtan- teile zurückgehen und die durch die Probe nicht ab¬ sorbiert werden, sondern die durch beliebige Prozesse (Reflexion, Streuung, ... ) die Probe bzw. deren Oberfläche - in der Regel in einer anderen Richtung als der Einfallsrichtung - wieder verlassen und somit außerhalb der Probe nachgewiesen werden können.
Eine wesentliche Idee der vorstehend beschriebenen Vorrichtung gemäß der Erfindung ist es somit, ledig- lieh die an der Probe (spiegelnd) reflektierten
Strahlanteile zu erfassen und auszuwerten, also lediglich für die so reflektierten Strahlanteile unterschiedliche Polarisationszustände für die Charakterisierung der Probe auszuwerten, nicht jedoch für die anderen zurückgeworfenen, z.B. gestreuten Strahlanteile. Wie nachfolgend noch näher beschrieben, ist es dabei besonders vorteilhaft, die Beleuchtungseinheit und die Detektionseinheit unter dem Brewster-Winkel anzuordnen, sofern die Charakterisierungsaufgabe beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung gerade darin besteht, das Vorhandensein eines definierten Materials zu erkennen oder einzelne Elemente dieses definierten Materials in einer eine Vielzahl von Objekten unterschiedlicher Materialien umfassenden Probe zu identifizieren (der in der Vorrichtung eingestellte Brewster-Winkel ist dann der Brewster-Winkel dieses Materials) . Diese Anordnung unter dem Brewster- Winkel ist insbesondere aus dem Grunde vorteilhaft, dass die an Proben oder Probenelementen dieses Mate- rials reflektierten Strahlenanteile lediglich eine
Polarisationsrichtungen aufweisen, so dass die Materialcharakterisierung auf besonders einfache Art und Weise möglich ist. Eine Anordnung unter dem Brewster- Winkel ist jedoch nicht unbedingt notwendig, da die unterschiedlichen Polarisationsanteile für die Reflexionselemente auf der Oberfläche der Probe auch ohne Einhaltung dieser speziellen Reflexionsbedingung aus¬ gewertet werden können (z.B. hinsichtlich ihrer auf- treffenden Intensitäten unterschieden werden können) . In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Auswerteeinheit so ausgebildet, dass in den aufgenommenen Abbildungsdaten zuerst die Reflexionselemente identifizierbar sind, bevor für diese (oder auf Basis dieser) identifizierte (n) Reflexionselemente die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile auswertbar sind. Beispielsweise können die Reflexionselemente anhand einer Auswertung der insgesamt erfassten Intensitäten der einzelnen Oberflä- chenelemente (bzw. der Bildpixel der durch die Detek- tionseinheit erfassten Abbilder) festgestellt werden, indem diejenigen Oberflächenelemente als Reflexions- elemente identifiziert werden, deren Gesamtintensität (Summe der Intensitäten aller erfasster Polarisati- onsanteile) oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt (z.B. kann als Schwellwert derjenige Intensitätswert definiert werden, oberhalb dessen die Intensität von 20 % aller abgebildeter Flächenelemente liegt) . Lediglich für die so identifizierten Reflexi- onselemente werden dann die unterschiedlichen (z.B. orthogonalen) Polarisationsanteile ausgewertet, z.B. getrennt betrachtet, oder hinsichtlich ihrer Intensitätsverhältnisse betrachtet. Alternativ dazu ist es auch möglich, in den aufgenommenen Abbildungsdaten für alle abgebildeten Flächenelemente (wobei diese sowohl abgebildete Oberflächenelemente der Probe als auch abgebildete Flächenelemente von nicht zur Probe gehörenden, jedoch trotzdem abgebildeten Strukturen umfassen) zunächst die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile z.B. getrennt oder nach ihren Verhältnissen zu betrachten und (beispielsweise durch Schwellwertsetzung) auszu¬ werten, um diejenigen Oberflächenelemente der Probe, die Reflexionselemente sind, zu bestimmen. So können beispielsweise alle Flächenelemente, deren Intensität für einen definierten Polarisationsanteil in den Abbildungsdaten einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, als Reflexionselemente definiert werden. Für die so anhand der unterschiedlichen Polarisationsanteile identifizierten Reflexionselemente werden dann die unterschiedlichen Polarisationsanteile (beispielsweise durch Verhältnisbildung der Intensitäten in unterschiedlichen Polarisationsanteilen entsprechenden, durch die Detektionseinheit aufgenommenen Abbildungsdaten bzw. Polarisations-Teilbildern) weiter ausgewertet, um die optische Charakterisierung der Probe durchzuführen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erfin- dungsgemäße Vorrichtung so ausgebildet, dass das zum
Identifizieren der Reflexionselemente notwendige Unterscheiden von Reflexionselementen und von Flächenelementen, deren zurückgeworfenes, empfangenes Licht nicht auf einer Reflexion des einfallenden Lichts an der Probe beruht (Streuelemente) , auf Basis der Intensität oder der Intensitäten von Abbildungsdaten eines, mehrerer oder aller der erfassten Polarisationsanteile erfolgt. Insbesondere können Intensitätsdifferenzen oder auch Intensitätsverhältnisse der un- terschiedlichen erfassten Polarisationsanteile zur
Bestimmung der Reflexionselemente herangezogen werden. Auch ist es möglich, die Gesamtintensität aller durch die Detektionseinheit erfasster Polarisationsanteile des zur Abbildung gelangenden Lichts zur Identifikation der Reflexionselemente heranzuziehen.
So können beispielsweise diejenigen Flächenelemente als Reflexionselemente identifiziert werden, deren zugehörige Abbildungswerte bei den von der Detekti- onseinheit erfassten Abbildungen in Summe oberhalb eines vordefinierten Schwellwertes liegen. Ein solcher Schwellwert kann z.B. als 90%/10%-Schwellwert definiert werden, d.h. dadurch festgelegt werden, dass 90 % der Gesamtintensitätswerte aller abgebilde¬ ter Flächenelemente unterhalb dieses Schwellwertes liegen und 10 % oberhalb.
Alternativ dazu oder auch in Kombination mit der in- tensitätsbasierten Identifikation der Reflexionselemente können die Reflexionselemente auch auf Basis ihrer Lage in entsprechend der unterschiedlichen Po¬ larisationsanteile (oder auch entsprechend der empfangenen Gesamtintensität) erzeugten Abbildern der Probe definiert werden: Hierzu kann die Lage der Flä¬ chenelemente (z.B. unter Berücksichtigung ihrer Intensitäten) relativ zueinander und/oder relativ zu einem oder mehreren Bezugspunkt (en) in den Abbildern der Probe ausgewertet werden. Als Bezugspunkte können insbesondere Mittelpunkte oder Randpunkte von Abbildern der Probe dienen. Beispielsweise können durch geeignete Ausbildung des Probenhintergrundes oder durch zusätzliche Beleuchtung (die für eine konstante, niedrige Hintergrundintensität sorgt) einzelne Elemente der Probe (z.B. Schüttgutpartikel) vom Hintergrund differenziert werden, indem z.B. die Intensitätsänderung am Rand dieser Probenelemente erkannt wird (Auswertung von Gradienten im Bild) . Als zusätzliche Bedingung, dass ein betrachtetes Flächenelement ein Reflexionselement der Probe ist, kann dann - neben der vorbeschriebenen Schwellwertsetzung - festgelegt werden, dass sich die Reflexionselemente innerhalb der so erkannten Umrisse einzelner Probenelemente befinden müssen. Im Gegensatz dazu sind dann diejenigen Flächenelemente, deren Intensität bzw. Helligkeit unterhalb der vorbeschriebenen, einstellbaren Schwelle liegt, nicht Reflexionselemente sondern Streuelemente. Auch außerhalb der wie vorbeschrieben identifizierbaren Probenelementgrenzen liegende Flächenelemente sind keine Reflexionselemente der Probe. Eine weitere Auswertung dieser Flächenelemente ist somit nicht sinnvoll.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die Auswertung der identifizierten Reflexionselemente zum Zweck der optischen Charakte- risierung der Probe wie folgt: Aus unterschiedlichen, für die identifizierten Reflexionselemente von der Detektionseinhei t aufgenommenen Polarisationsanteilen (z.B. aus zwei zueinander orthogonalen linearen Polarisationsanteilen) wird ein Verhältnis gebildet. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass für all die Flächenelemente, die als Reflexionselemente identifiziert wurden, der Intensitätswert im für einen ersten Polarisationsanteil aufgenommenen Abbild durch den Intensitätswert des entsprechenden Reflexionsele- mentes im für einen zweiten, unterschiedlichen (z.B. orthogonalen) Polarisationsanteil aufgenommenen Abbild geteilt wird.
Über- oder unterschreitet das so gebildete Verhältnis dann für eine bestimmte Mindestzahl von Reflexionselementen (relativ zur Gesamtzahl von Flächenelementen und/oder von Reflexionselementen) einen bestimmten Wert, so lässt sich damit eine Aussage über das Vorliegen oder Nicht-Vorliegen eines definierten Ma- terials in der Probe treffen: Stellt man beispielsweise als Reflexionsbedingung für die Reflexionsele- mente den Winkel zwischen der optischen Achse der De- tektionseinheit einerseits und der optischen Achse der Beleuchtungseinheit andererseits in dem durch die Detektionseinheit , die Beleuchtungseinheit und die Probe aufgespannten Dreieck auf das Doppelte des Brewster-Winkels eines gesuchten Materials ein (die Reflexionselemente sind dann diejenigen Oberflächenelemente der Probe, deren Normale den Winkel zwischen den beiden vorgenannten Achsen halbiert) , so werden all diejenigen Reflexionselemente, die dem gesuchten Material zugeordnet werden können, lediglich parallel zur Oberfläche der Probe polarisierte Lichtanteile reflektieren, nicht jedoch Lichtanteile mit einer Polarisationsrichtung senkrecht dazu. Dies kann jedoch über eine entsprechende Schwellwertsetzung für das wie vorbeschrieben berechnete Verhältnis erfasst werden, so dass eine Unterscheidung von Probenelementen des gesuchten Materials von Probenelementen aus einem anderen Material möglich ist.
Erfindungsgemäß ist es somit möglich zu prüfen, ob das Verhältnis von Intensitäten unterschiedlicher Polarisationsanteile in einem gewissen Bereich liegt, um definierte Materialien von anderen Materialien zu unterscheiden. Insbesondere bei Schüttgutströmen als Proben kann dabei auch die absolute Anzahl derjenigen Bildpunkte bzw. Flächenelemente in den durch die Detektionseinheit aufgenommenen Abbildungsdaten, für die das wie vorbeschrieben berechnete Verhältnis einen Schwellwert über- oder unterschreitet, als Sortierkriterium verwendet werden. Alternativ dazu ist es möglich, nicht die absolute Anzahl solcher Flächenelemente, sondern die relative Anzahl dieser Flächenelemente im Vergleich zu denjenigen Flächenelementen, die das Schwellwertkriterium nicht erfüllen, zu bewerten. Entscheidend bei den vorbestehend beschriebenen Ausführungsvarianten der Erfindung ist die Überlegung, dass es auch bei unregelmäßigen Oberflächen von Pro- ben (z.B. von Schüttgütern) bei jedem Objekt bzw.
Element der Probe mindestens einen Punkt, also ein Oberflächenelement, gibt, der/das die Reflexionsbedingung erfüllt, mit dem das Objekt somit charakterisiert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, im Rahmen der Erfindung Oberflächenelemente bzw. Reflexionselemente aus unterschiedlichen Richtungen gleichzeitig oder auch nacheinander zur Auswertung heranzuziehen. So reicht es natürlich grundsätzlich aus, dass die verwendete
Beleuchtungseinheit lediglich ein einziges Beleuchtungselement (z.B. eine einzige monochromatische Lichtquelle, siehe nachfolgendes Ausführungsbeispiel 1) aufweist.
Die Beleuchtungseinheit kann jedoch auch mehrere einzelne Beleuchtungselemente umfassen, die zur Beleuchtung der Probe mit einfallendem Licht aus unterschiedlichen Richtungen ausgebildet sind. Dabei kann der Winkel zwischen der Detektionseinheit bzw. deren optischer Achse einerseits und dem jeweiligen Beleuchtungselement bzw. dessen optischer Achse andererseits in dem durch die Detektionseinheit, das entsprechende Beleuchtungselement und die Probe aufge- spannten Dreieck bei allen Beleuchtungselementen identisch sein. Vorteilhafterweise können zwei oder vier einzelne Beleuchtungselemente verwendet werden. Die Beleuchtungselemente können auf der der Detektionseinheit gegenüberliegenden Seite der Probe und in einer bevorzugt senkrecht zur optischen Achse der Detektionseinheit ausgerichteten Ebene angeordnet sein. Insbesondere können die einzelnen Beleuchtungselemen- te in äquidistanten Winkelabständen auf einem Kreis um die optische Achse der Detektionseinheit herum in dieser Ebene angeordnet sein. Beispielsweise können so, bei der Verwendung von vier Beleuchtungselementen, diese in Winkelabständen von 90° auf einem Kreis um die optische Achse der Detektionseinheit herum angeordnet werden. Für alle diese Beleuchtungselemente können dann die vorstehend für die Beleuchtungsein- heit beschriebenen Winkelverhältnisse (z.B. Einstellung auf einen Brewster-Winkel für ein definiertes Material) eingehalten werden.
Alle im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschriebe- nen Vorrichtungen zur optischen Charakterisierung können durch geeignetes Vorsehen weiterer Bauteile (z.B. Probenlagerungseinheiten etc.) zur Oberflächenprüfung von ebenen Beschichtungen als Probe ausgebildet werden.
Ebenso ist es jedoch möglich, die Vorrichtungen zur Charakterisierung, Differenzierung und/oder Trennung von einzelnen Elementen einer eine Vielzahl von Elementen umfassenden Probe (insbesondere: Schüttgut- ström) weiterzubilden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Beleuchtungseinheit und die Detektionseinheit zur Beleuchtung und Abbildung eines freien Fallstreckenstücks, z.B. unterhalb eines Rüttlers für Schüttgut, angeordnet werden. Alternativ da- zu können selbstverständlich auch Förderbandabschnitte, auf denen Schüttgut transportiert wird, von der Beleuchtungseinheit beleuchtet und der Detektionseinheit abgetastet werden. Letztgenannte Vorrichtungen können dann insbesondere auch zum Aussortieren von Probenelementen, die von einem oder mehreren vordefinierten Materialparameter (n) (der/die zur optischen Charakterisierung durch Auswertung der Reflexionsele¬ mente bestimmt wird/werden) abweichen, ausgebildet sein .
Die vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen können als Laserscannersystem ausgebildet werden mit einer die Probe bzw. den Probenraumabschnitt, in dem diese Probe angeordnet wird, ein- oder zweidimensional abscannenden Beleuchtungseinheit auf Basis eines oder mehrerer Laser (s) und mit einer oder mehreren geeigneten Empfangseinheit (en) als De- tektionseinheit .
Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, eine oder mehrere monochromatische Lichtquellen als Beleuchtungseinheit oder Beieuchtungselement ( e) zu verwenden. Als Detektionseinheit kann/können dann eine oder mehrere Kamera(s) , insbesondere Polarisationskame- ra(s) und/oder CCD-basierte Kamera(s), eingesetzt werden .
Die Beleuchtung der Probe erfolgt vorteilhafterweise mit einer oder mehrerer definierter/n Wellenlänge (n) im sichtbaren Bereich; grundsätzlich ist es jedoch auch denkbar, z.B. Infrarotstrahlung zur Beleuchtung zu verwenden, sofern dann die Empfangseinheiten entsprechend angepasst werden.
Nachfolgend werden nun einige konkrete Realisierungen des Beleuchtungseinheit-Detektionseinheit-Systems der vorliegenden Erfindung beschrieben:
So kann eine in einer Reflexionsanordnung wie vorbeschrieben eingesetzte Kamera, mit der beispielsweise für jedes abgetastete Flächenelement zwei orthogonale Polarisationsanteile erfasst werden können, eine aus zwei Einzelkameras bestehende Kamera sein. Im Strah¬ lengang vor den Einzelkameras ist ein polarisierendes optisches Element (z.B. Prisma oder Strahlteiler) angeordnet, mit dem das von der Probe zurückgeworfene Licht in die zwei unterschiedlichen Polarisationsanteile zerlegt werden kann. Das Licht des einen Polarisationsanteils wird dann durch das polarisierende optische Element auf die eine Einzelkamera gelenkt, das Licht des anderen Polarisationsanteils auf die andere der beiden Einzelkameras. Dabei ist vorteilhafterweise eine Pixelanpassung vorzusehen, um die Lage der erfassten Reflexionselemente in den Bildern der beiden Einzelkameras abzugleichen. Alternativ dazu kann eine mehrzellige Kamera vorgesehen sein, wobei im Strahlengang vor dieser Kamera eine der Zeilenzahl der Kamera entsprechende Zahl von Polarisatoren vorgesehen ist. Dabei existieren zwei (oder mehr, z.B. sechs) unterschiedliche Arten von Polarisatoren, beispielsweise zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Polarisatoren (bei sechs Polarisatoren z.B. 0°, 45°, 90°, 135°, linkszirkular und rechtszirkular polarisierende Polarisationen) .Die zwei oder mehr Polarisiationrichtungen werden von der Kamera erfasst: Vor den einzelnen Zeilen der Kamera werden bei zwei unterschiedlichen Polarisatoren abwechselnd Polarisatoren des einen Typs und des anderen Typs angeordnet, so dass abwechselnd auf die Kamerazeilen jeweils Licht eines ersten Polarisations- anteils und eines zweiten, z.B. zum ersten Polarisationsanteil orthogonalen Polarisationsanteils abgebildet wird. Bei z.B. sechs verschiedenen Polarisatoren werden dementsprechend sechs benachbarte Zeilen für die sechs unterschiedlichen Typen benötigt. Alternativ dazu kann eine Kamera verwendet werden, die im Strahlengang vor ihrem Sensorchip einen Polarisations-Streifen-Filter oder einen Polarisations- Mosaik-Filter umfasst. Ein solcher Filter zerlegt das von der Probe zurückgeworfene Licht in die unterschiedlichen Polarisationsanteile, die dann zeilenweise oder entsprechend der Mosaikanordnung des Filters auf die jeweiligen Sensorzellen des Kamerachips gerichtet werden (welche Sensorzellen des Chips Licht welchen Polarisationsanteils empfangen, ist aufgrund der vorbekannten Filterform bekannt, so dass die Auswertung entsprechend erfolgen kann) .
Ebenso ist es denkbar, mehrere unterschiedlich pola- risierte Beleuchtungs-Untereinheiten (z.B. Einzellampen) vorzusehen, die alle zur Beleuchtung der Probe mit einfallendem Licht ausgerichtet sind. Die einzelnen Beleuchtungs-Untereinheiten werden zeitlich nacheinander ein- und wieder ausgeschaltet, beleuchten also die Probe jeweils nacheinander für eine vordefinierte Zeitdauer. Die einzelnen Polarisationsanteile werden dann während unterschiedlicher, genau definierter Zeitintervalle jeweils von der gesamten Kamerafläche einer nicht polarisationssensitiven Kamera (bevorzugt wird eine mehrzellige Kamera eingesetzt) erfasst, die unterschiedlich polarisierten Beleuchtungen werden somit quasi geblitzt. Sofern die Vorrichtung bei bewegten Proben (Schüttgutstrom) eingesetzt wird, ist die Blitzfrequenz bzw. die Frequenz des Umschaltens zwischen den einzelnen Beleuchtungs-
Untereinheiten vorteilhafterweise mit der Probengeschwindigkeit zu synchronisieren.
Diese Synchronisierung hat den folgenden Vorteil: In der Regel ist die Probe bei der Abtastung (z.B. auf einer entsprechenden Fallstrecke oder auch Flugstrecke bei einem z.B. parabel förmigen Abwurf von einem Förderband) in Bewegung, das heißt das Abbild der Probe verschiebt sich bei den einzelnen zur Auswer¬ tung zeitlich aufeinanderfolgend aufgenommenen Kamerabildern in diesen Kamerabildern, ändert also seine Lage in den einzelnen Kamerabildern. Da nun jedoch in der Regel die beiden (oder die mehr als zwei) Polari- sationszustände von ein und demselben Punkt bzw.
Oberflächenelement der Probe benötigt werden, muss in der Regel bekannt sein, wie weit die Probe zwischen zwei benachbarten Kamerabildern gewandert ist, um auch tatsächlich die Polarisationszustände ein und desselben Oberflächenelements der Probe zu erfassen und auszuwerten (wird so z.B. festgestellt, dass die Probe zwischen zwei zeitlich benachbarten Kamerabildern um 5 Pixel hinsichtlich ihres Abbildes verschoben ist, so kann eine entsprechende Verschiebung der zeitlich benachbarten Kamerabilder erfolgen, um die Probenbewegung auszugleichen) .
Ein weiterer erfindungsgemäßer, kamerabasierter Systemaufbau für die Beleuchtungseinheit und die Detek- tionseinheit verwendet eine LED-Beleuchtung, in der die einzelnen LED-Beleuchtungselemente, die Licht einer Wellenlänge emittieren, so angeordnet sind, dass für jeden Bildpunkt bzw. für jedes abgebildete Flächenelement über die gesamte abzutastende Probenoberfläche (gesamtes Kameraabbild) die gleiche Reflexionsbedingung gegeben ist. Dies kann durch unterschiedliche Neigungswinkel der einzelnen LED-Elemente in einer Leiste, durch eine Anordnung dieser Elemente auf einer gebogenen Platine oder bei ebener Anordnung der LED-Elemente durch eine Vorsatzoptik erreicht werden .
Durch die gebogene Platine oder die Vorsatzoptik können insbesondere Effekte der z.B. trichterförmigen Kameraöffnung ausgeglichen werden (die ansonsten eine exakte Erfassung und Auswertung verhindern würden) : Die Kamera hat dann durch die entsprechende gebogene Platine oder Vorsatzoptik keinen telezentrischen Strahlengang mehr, sondern einen fächerförmigen, der dazu führt, dass tatsächlich für jeden Bildpunkt über die gesamte abzutastende Probenoberfläche die gleichen Reflexionsbedingungen gegeben sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die verwendete Beleuchtungseinheit mit Mitteln zur Änderung und/oder Einstellung der Polarisation der Beleuchtung zu versehen (beispielsweise LC- Element, wie in LC-Displays verwendet) . Die Beleuchtung der Probe kann dann, wie beim vorstehend beschriebenen „Blitzen", nacheinander mit unterschiedlichen Polarisationszuständen erfolgen. Für jeden Be- leuchtungs-Polarisationszustand können dann, wie vorstehend beschrieben, für die Reflexionselernente unterschiedliche Polarisationsanteile erfasst und aus¬ gewertet werden.
Alternativ zum Ein- und Ausschalten bzw. zum Beleuchten der Probe durch .„Blitzen" können somit auch geeignete, die gewünschten Polarisationszustände herbeiführende Polarisatoren vor der Beleuchtungseinheit (bzw. im Strahlengang zwischen Beleuchtungseinheit und Probe) aufgestellt werden.
Auch ist es möglich, die Beleuchtungseinheit und die Detektionseinheit zusammen mit einem polarisationser- haltenden Retroreflektor einzusetzen: Bei einem in Form eines Laserscanners als Beleuchtungseinheit eingesetzten Laser und einem als zugehörige Detektionseinheit geeignet ausgebildeten Empfänger (der insbesondere einen polarisationserhaltenden Strahlteiler zum Teilen des auftreffenden Laserlichts in zwei Teilstrahlengänge sowie, in diesen Teilstrahlengän¬ gen, polarisierende optische Elemente aufweisen kann) können die Beleuchtungseinheit und die Detektionsein- heit auch als integrierte Sende- und Empfangseinheit ausgebildet sein. Es ist dann ein Retroreflektor vorzusehen, wobei die kombinierte Sende- und Empfangs - einheit und der Retroreflektor wie folgt ausgebildet und angeordnet werden: In der kombinierten Sende- und Empfangseinheit werden Sender- und Empfangsstrahlen- gang über einen Strahlteiler auf die gleiche Achse gekoppelt. Der Sender beleuchtet die Probe, die von der Probe zurückgeworfenen (das heißt gestreuten, diffus reflektierten oder spiegelnd reflektierten) Strahlenanteile werden an dem Retroreflektor in sich zurückreflektiert und gelangen, bevorzugt über die
Probe, in die kombinierte Sende- und Empfangseinheit und dort, über den Strahlteiler, in den Empfängerstrahlengang des Empfängers dieser kombinierten Sende- und Empfangseinheit.
Dort wo bei einer nicht integriert ausgebildeten, entsprechenden Anordnung eines Lasers und eines zum Empfang des zurückgeworfenen Lichts des Lasers geeignet ausgebildeten und ausgerichteten Empfängers der Empfänger steht, ist im vorbeschriebenen Fall der
Retroreflektor angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass, sofern die Strahlanteile über das Objekt in die kombinierte Sende- und Empfangseinheit gelangen, die Strahlung zweifach an der Probe bzw. am Objekt re- flektiert werden. Es erfolgt somit eine verbesserte
Abbildung der Probe bzw. des Objekts mit verbessertem Intensitätsverhältnis (liegt z.B. bei einfacher Reflexion an der Probe ein Intensitätsverhältnis von 1 : 1000 vor, so beträgt das Intensitätsverhältnis bei diesem Aufbau 1 : 10002) . Durch geeignete Retrore- flektoren bzw. Einstellung der Rückreflexion kann zu- dem ein sehr kompakter Aufbau realisiert werden.
Schließlich ist es im Rahmen der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur optischen Charakterisierung auch (und insbesondere in der vorbeschrie- benen Retroreflektorvariante) möglich, als Beleuchtungseinheit einen die Probe zeilenweise oder raster- förmig abscannenden Laser einzusetzen
(Laserscannersystem) . Die Detektionseinheit umfasst dann einen zum Empfang des von der Probe zurückgewor- fenen Laserlichts geeigneten Empfänger mit einem oder mehreren optischen Element (en) zur Trennung des empfangenen Laserlichts nach den unterschiedlichen Polarisationsanteilen. Im Empfänger sind mehrere Empfangselemente ausgebildet, deren Anzahl der durch die Trennung resultierenden Anzahl von Teilstrahlen entspricht. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise durch Prüfung der empfangenen Gesamtintensität feststellen, ob Flächenelemente Reflexionselemente der Probe sind, also die Reflexionsbedingung erfüllen. Die Auswerteeinheit der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen zur optischen Charakterisierung gemäß der Erfindung ist so ausgebildet, dass mit ihr die Reflexionselemente der Probe identifizierbar sind (beispielsweise durch Auswertung der von jedem Objekt- punkt empfangenen Gesamtintensität als Kriterium dafür, ob der entsprechende Objektpunkt die Reflexionsbedingung erfüllt, also die für eine weitere Auswertung nötige Ausrichtung seiner Oberfläche aufweist) . Die Reflexionselemente werden dann mit der Auswerte- einheit zur optischen Charakterisierung der Probe weiter ausgewertet, d.h. es ist/sind eine oder mehrere Verarbeitungsstufe (n) vorgesehen, um durch Auswertung der signifikanten Oberflächenelemente bzw. der Reflexionselemente eine Gesamtcharakterisierung der Probe durchzuführen. Um im Rahmen dieser Gesamtcharakterisierung weitere Proben- und/oder Materialpara- meter der Probe zu erfassen, können zusätzlich Verzögerungselemente (z.B. λ/4-Platten) vor der Beleuchtung vorgesehen werden. Auch ist es möglich, weitere Strahlteiler bzw. Filter vor der Detektionseinheit bzw. deren lichtsensitiver Fläche einzusetzen. Die
Ausrichtung, Einstellung und Anordnung solcher Verzögerungselemente und/oder Strahlteiler oder Filter kann so erfolgen, dass die Bestimmung weiterer Sto- kes-Parameter möglich ist. Insbesondere kann auch ei- ne monochromatische kohärente Beleuchtungseinheit
(Laser) vorgesehen sein, so dass, aufgrund von dem Fachmann bekannten physikalischen Nebenbedingungen, zur vollständigen Charakterisierung des Polarisationszustands des durch die Probe zurückgeworfenen Lichts lediglich drei Stokes-Parameter statt vier
Stokes-Parameter nötig sind.
Erfindungsgemäß sind Systeme mit Einfalls- und Ausfallswinkeln zwischen den beiden Spezialfällen 0° und 180° möglich: Hierbei ist, im Grenzfall von 90°, die Probe zwischen Beleuchtungseinheit und Detektor zu platzieren. Im Spezialfall von 90° und bei der Verwendung einer kombinierten Beleuchtungs- und Detektionseinheit bzw. Sende- und Empfangseinheit befindet sich der Retroreflektor hinter der Probe. Im Spezial- fall einer 900-Anordnung handelt es sich um einen
Polarimetrieaufbau zur optischen Charakterisierung transparenter Objekte. Auch in diesem Fall erhält man im Vergleich zu Anordnungen nach dem Stand der Technik den Vorteil, dass eine erheblich schnellere Aus- wertung erfolgen kann: Durch eine vollständige Charakterisierung des Polarxsationszustands kann die bei Geräten nach dem Stand der Technik notwendige Variation der Beleuchtungsbedingungen entfallen. Dadurch erst wird eine mit der Produktion von Gütern schritt- haltende Prüfung möglich. Genau wie im Fall der Reflexionsauswertung ist in diesem Fall eine Prüfung der Gesamtintensität sinnvoll, um die zur Charakterisie¬ rung der Probe relevanten Objektpunkte bzw. Oberflä¬ chenelemente zu finden. Diese Punkte sind in diesem Fall jedoch keine Reflexions- sondern Transmissions - elemente. In diesem Fall kann es sich bei den von der
Probe zurückgeworfenen Lichtanteilen also auch um durch die Probe hindurch transmittierte Anteile
(Transmission statt Reflexion oder auch beide Anteile: Transmission wie Reflexion) handeln. Die Vorrich- tung kann also auch als Transmissionssystem oder
Transmissions-Reflexionssystem ausgebildet sein.
In einer weiteren Ausgestaltungsform umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Charakterisierung die folgenden Elemente: einen zum ein- oder zweidimensionalen Abscannen eines Probenraumabschnitts,, in dem die Probe eingebracht werden kann, mit einfallendem Licht ausgerichteten Laser (Beleuchtungseinheit) . Zum Empfang des durch die Probe zurückgeworfenen Lichts ist ein zum Empfang von
Laserlicht geeigneter Empfänger als Detektionseinheit vorgesehen. Dieser Empfänger umfasst einen ersten, bevorzugt polarisationserhaltenden Strahlteiler zum Teilen des auf den Empfänger auftreffenden Laserlichts in einen ersten und einen zweiten Teilstrah- lengang. In jedem dieser beiden Teilstrahlengänge ist ein polarisierendes optisches Element (z.B. polarisierendes Prisma oder polarisierender Strahlteiler) vorgesehen, mit dem das Licht des jeweiligen Teilstrahlengangs in zwei unterschiedliche Polarisations- anteile zerlegt werden kann. Im Strahlengang jedes der beiden so getrennten Polarisationsanteile ist jeweils ein Empfangselement vorgesehen, mit dem der jeweilige Polarisationsanteil nachgewiesen werden kann (es sind somit insgesamt vier Empfangselemente vorge- sehen, zwei in jedem der vorstehend beschriebenen
TeilStrahlengänge) . Lediglich in einem der beiden Teilstrahlengänge ist darüberhinaus nach dem Strahl¬ teiler und vor dem polarisierenden optischen Element ein Polarisations-Änderungselement vorgesehen, mit dem die Polarisation dieses TeilStrahlengangs verän- dert werden kann. Bei diesem Änderungselement kann es sich insbesondere um eine Verzögerungsplatte handeln, die vorzugsweise als λ/4-Platte ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit der Vorrichtung ist so ausgebildet, dass mit ihr auf Grundlage der mit den mehreren Emp- fangselernenten des Empfängers nachgewiesenen unterschiedlichen Polarisationsanteilen der Polarisationszustand des von der Probe zurückgeworfenen Lichts zur optischen Charakterisierung derselben vollständig bestimmt werden kann.
Hierzu können insbesondere der Strahlteiler , die polarisierenden optischen Elemente, das Änderungselement und die vier Empfangselemente so ausgebildet sein, angeordnet werden und eingestellt werden, dass drei von vier Stokesparametern des zurückgeworfenen
Lichts aus den nachgewiesenen unterschiedlichen Polarisationsanteilen berechenbar sind. Da das einfallende Laserlicht vollständig polarisiert ist, reicht die Bestimmung von drei der vier Stokesparameter aus, um (unter Heranziehen einer Nebenbedingung für monochromatisches, kohärentes Licht) den vierten
Stokesparameter zu berechnen und somit den Polarisationszustand des zurückgeworfenen Lichtes vollständig zu charakterisieren. Anhand des so vollständig be- stimmten Polarisationszustandes des zurückgeworfenen
Lichtes können dann z.B. unterschiedliche Materialien verschiedener Probenelemente einer Schüttgutprobe identifiziert und unterschieden werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele im Detail beschrieben. Dabei zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Einsatz eines einzelnen Beleuchtungselements als Beleuchtungseinheit.
Figur 2 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Beleuchtungseinheit aus zwei separaten Beleuchtungselementen besteht.
Figur 3a bis 3d Beispiele für die Identifizierung eines definierten Materials in einem Schüttgutstrom unterschiedlicher Materialien.
Figur 4 ein Beispiel für eine als Prüfsystem für Beschichtungen ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung.
Figur 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die zur vollständigen Charakterisierung des Polarisationszustands des zurückgeworfenen Lichts ausgebildet ist .
Figur la) zeigt eine zur Charakterisierung einzelner Probenelemente bzw. Prüflinge P ausgebildete erfindungsgemäße Vorrichtung in Form eines Schüttgutsortiersystems. Die einzelnen Objekte des Schüttgutstromes bzw. der Probe P werden auf einem ebenen Transportband 30 transportiert, dessen äußere Oberfläche, auf dem die Elemente der Probe P zum Liegen kommen, weiß ist. Dies dient einer besseren Identifizierung der einzelnen Probenelemente im Bild (s. nachfolgend) . Das Transportband 30 wird durch zwei Walzen 31, 32 angetrieben; der Transport der Probenelemente P erfolgt hier im Bild nach rechts (Pfeile) ; weitere Elemente der Schüttgutsortiervorrichtung (z.B. Aus- blaseinheiten oder Sammelbehälter für die Probenele¬ mente unterschiedlichen Materials) sind hier nicht gezeigt . Die Beleuchtungseinheit 2 der gezeigten Vorrichtung umfasst eine monochromatische Lichtquelle 21, die hier als LED-Leiste, die im grünen Bereich (550 nra) emittiert, ausgebildet ist. Im Strahlengang nach der Lichtquelle 21 ist ein Diffusor 22 angeordnet, der die Modellierung der LED-Struktur 21 verringert. Im
Strahlengang hinter Lichtquelle 21 und Diffusor 22 weist die Beleuchtungseinheit 2 darüber hinaus noch einen Polarisator 23 auf. Die optische Achse der aus den Elementen 21, 22 und 23 bestehenden Beleuchtungs- einheit 2 ist hier mit dem Bezugszeichen 2o gekennzeichnet. Das entlang der optischen Achse 2o der Beleuchtungseinheit 2 auf die Probe P einfallende Licht E trifft unter einem Winkel ΘΒ (bezogen auf die Normale N zur mit den einzelnen Probenelementen belegten Oberfläche des Transportbandes 30) auf die Oberfläche des Probenraumabschnittes 1, der hier ein definiertes Flächensegment parallel zur Längsrichtung des Transportbandes 30 umfasst. Der entsprechende Förderbandabschnitt ist hier mit dem Bezugszeichen 7 versehen.
Die Detektionseinheit 3 des gezeigten Systems ist, bezogen auf das Förderband 30, in demselben Halbraum wie die Beleuchtungseinheit 2 (also im oberhalb des Transportbandes 30 liegenden Halbraum) angeordnet, jedoch, bezogen auf den von der Beleuchtungseinheit 2 beleuchteten Förderbandabschnitt 7 bzw. den Probenraumabschnitt 1 gesehen, auf der der Beleuchtungseinheit 2 gegenüber liegenden Seite diesem Halbraum angeordnet. Die optische Achse der als Polarisationska- mera ausgebildeten Detektionseinheit 3 ist hier mit dem Bezugszeichen 3o bezeichnet. Die Beleuchtungseinheit 2 bzw. deren optische Achse 2o, der Mittelpunkt des Probenraumabschnitts 1 bzw. des beleuchteten Förderbandabschnitts 7 und die De- tektionseinheit 3 bzw. die optische Achse 3o dersel¬ ben bilden ein gleichschenkliges Dreieck, dessen Langseite durch die Verbindungslinie Lichtquelle 2 - Detektionseinheit 3 und dessen Katheten durch die Verbindungslinien Lichtquelle 2 - Probenraumabschnitt 1, 7 und Probenraumabschnitt 1, 7 - Detektionseinheit
3 gebildet werden (Reflexionsanordnung) . Die Normale N der Langseite dieses Dreiecks bzw. die Normale zur Förderbandoberfläche halbiert somit den Winkel zwischen den beiden optischen Achsen 2o und 3o in zwei gleichgroße Winkel 9B, wobei hier ΘΒ = 63° gilt.
Mit der Detektionseinheit 3 ist eine Auswerteeinheit
4 in Form eines Personal Computers mit geeignet ausgebildeten Auswerteprogrammen über eine bidirektiona- le Datenleitung verbunden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der in Fig. la) gezeigten Vorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung ist zur Unterscheidung von Probenelementen aus Zirkon von Probenelementen aus Glas eingestellt. Hierzu wurde der Winkel ΘΒ = 63° auf den Brewsterwinkel des Materials Zirkon eingestellt. Die Auswertung bzw. die optische Charakterisierung beruht nun auf der Idee, dass die dem Beleuchtungseinheit-
Detektionseinheit-Halbraum zugewandten Oberflächenabschnitte der einzelnen Probenelemente stetig differenzierbar sind, dass es (vgl. Fig. lb) somit für jedes Probenelement P mindestens ein Flächenelement gibt, dessen Normale parallel zur Normalen N bzw. zur
Winkelhalbierenden der beiden optischen Achsen 2o, 3o ausgerichtet ist. Für ein solches Oberflächenelement eines Probenelements P trifft somit die einfallende Strahlung E genau unter dem Brewsterwinkel ΘΒ von Zirkon auf die Oberfläche des Probenelementes P.
Fig. lb) skizziert, wie diejenigen Flächenelemente, für die diese Reflexionsbedingung erfüllt ist, die also Reflexionselemente 5 der Probenelemente P sind, von anderen abgebildeten Flächenelementen der Probe oder von abgebildeten Flächenelementen des Hintergrundes bzw. der Förderbandoberfläche (diese Flächenelemente werden nachfolgend zusammenfassend als
Streuelemente 6 bezeichnet, obwohl der ihrer Abbildung zugrundeliegende physikalische Prozess auch ein anderer als ein Streuprozess sein kann) unterschieden werden können: Zwar gelangt (bezogen auf die insgesamt zurückgeworfene Lichtstrahlung Z) nicht nur von Reflexionselementen 5 der Probe P ein reflektierter Strahlanteil ZI in die Detektionseinheit 3 und führt dort zu einer Abbildung des entsprechenden Flächenelements durch die Detektionseinheit 3, sondern es gelangt auch z.B. an einem Streuelement 6 gestreutes Licht Z2 ebenfalls in den Detektor 3 (in Fig. lb) ist dies z.B. bereits einmal an der Oberfläche des För- derbandes 30 reflektiertes und daher aus einer nicht mit der optischen Achse 2o übereinstimmenden Einfallsrichtung E2 auf das Streuelement 6 der Oberfläche der Probe P einfallendes Licht, das dann in Richtung Z2 = ZI in die Polarisationskamera 3 gestreut wird) . Gestreutes Licht von Streuelementen 6 lässt sich jedoch von reflektiertem Licht von Reflexionselementen 5 durch Auswertung der Intensität eines durch die Polarisationskamera 3 aufgenommenen Polarisationsanteils (s. nachfolgend) oder auch durch Aus- wertung der auftreffenden Gesamtintensitäten aller erfassten Polarisationsanteile unterscheiden. So be- wirken die Reflexionselemente 5 z.B. eine deutlich höhere auf das entsprechende Bildelement der Polari¬ sationskamera 3 auftreffende Gesamtintensität als die Streuelemente 6. Die beiden Typen 5, 6 von Flächen- elementen können daher durch Setzen eines vorbestimm¬ ten Schwellwertes (der beispielsweise aus einer mittleren Intensität über das gesamte Abbild ermittelt werden kann) unterschieden werden. Oberflächenelemente 5, die die Reflexionsbedingung erfüllen, sind da- her in der Abbildung besonders hell. Diese Oberflächenelemente 5 alleine werden dann zur Charakterisierung der Probe P bzw. deren einzelner Probenelemente weiter ausgewertet. Um sicherzugehen, dass es sich bei den bestimmten
Reflexionselementen 5 auch tatsächlich um abgebildete Flächenelemente von Probenelementen P (und nicht z.B. um am weißen Hintergrund bzw. an der Oberfläche des Förderbandes 30 reflektierte Lichtanteile) handelt, kann weiterhin die Lage der potenziellen Kandidaten für Reflexionselemente 5 im gesamten aufgenommenen Abbild ausgewertet werden: Durch dem Fachmann bekannte Bildverarbeitungsalgorithmen zur Kantendetektion können beispielsweise (Suche nach geschlossenen Kur- ven im ein- oder zweifach abgeleiteten und schwell- wertbehandelten Abbild) die Lage, die Größe und die Form der einzelnen Probenelemente der Probe P festgestellt werden. Reflexionselemente R können dann lediglich solche Flächenelemente bzw. Punkte im Bild sein, die innerhalb des Abbilds eines Probenelements bzw. innerhalb solcher geschlossener Kurven zum Liegen kommen. Zur Bestimmung der Reflexionselemente 5 kann also eine Kombination aus Intensitäts- und Lageauswertungen eingesetzt werden (lediglich besonders helle Oberflächenelemente im Mittelbereich der Abbildung eines Schüttgutobjekts P können somit in dem System der Fig. 1 Reflexionselemente 5 sein) .
Die weitere Auswertung der identifizierten Reflexionselemente 5 im Abbild der Kamera 3 und die darauf basierende Probenmaterialcharakterisierung geschieht dann wie folgt: Die Polarisationskamera 3 ist zur Trennung zweier orthogonaler Polarisationsanteile ausgebildet, nämlich des parallel zur Einfallsebene der Reflexionselemente 5 (Ebene parallel zur Förderbandoberfläche) einfallenden Polarisationsanteils des Lichts E und des senkrecht dazu einfallenden Polarisationsanteils. Handelt es sich bei einem abgebildeten Probenelement P um ein Element aus Zirkon, so wird, da hier die Brewsterbedingung erfüllt ist, lediglich parallel zur vorstehend beschriebenen Ebene polarisiertes Licht reflektiert. Lediglich dieser Polarisationsanteil ist somit für Zirkon-Probenelemente P mit einem Kanal der Kamera 3 nachweisbar, während der andere Kanal der Kamera 3 (der zum Nachweis von senkrecht dazu polarisiertem Licht ausgebildet ist) kein reflektiertes Licht nachweisen kann. Handelt es sich bei dem betrachteten Probenelement P um ein Element aus einem anderen Material als Zirkon, so wird durch die Polarisationskamera 3 Licht beider Polarisationsanteile nachgewiesen (d.h. beide Kanäle der Kamera schlagen an) . Bildet man somit das Verhältnis der Intensitäten der beiden Polarisationsanteile in den beiden Kanälen bzw. durch die Polarisationskamera 3 aufgenommenen Abbildern des Probenraumabschnitts 1 für all diejenigen Oberflächenelemente, die Reflexionselemente 5 sind, so variiert dieses Verhältnis signifikant für Reflexionselemente von
Zirkonoberflächen und für Reflexionselemente von Oberflächen anderer Materialien. Durch geeignete Schwellwertsetzung können somit Zirkon-Probenelemente von anderen Probenelementen unterschieden werden. Wird beispielsweise parallel zur Einfallsebene polarisiertes Licht durch die Polarisationskamera blau dargestellt und senkrecht dazu polarisiertes Licht rot, so bedeutet dies, dass in den durch die Polarisationskamera aufgenommenen und überlagerten Bildern die Reflexionselemente von Zirkon-Probenelementen P rein blau erscheinen. Figuren 3a bis 3d zeigen Beispiele für die Differenzierung von Diamant und Quarzglas (Fig. 3a. bis 3c) und von Zirkonkristallen in einem Schüttgutstrom P von solchen Kristallen, von Glasscherben und von Metallringen (Fig. 3d) . Der Polarisator 23 wurde für Fig. 3d so justiert, dass die Förderbandoberfläche
(Hintergrund) beide Polarisationsrichtungen mit gleichen Intensitäten in Richtung Polarisationskamera 3 reflektiert. ΘΒ beträgt dabei 63° (Brewster-Winkel für Zirkon) . Auch wenn die durch den Probenraumab- schnitt 1 beförderten Probenelemente P eine unregelmäßige Geometrie aufweisen und ihre genaue Lage unbekannt ist, so ist dennoch eine Objektcharakterisierung möglich, da die einzelnen Probenelemente differenzierbare Oberflächen aufweisen, d.h. jeder Schütt- gutpartikel hat mindestens ein Oberflächenelement, das die Reflexionsbedingung (Einfallswinkel = ΘΒ) erfüllt. Da die Reflexion sehr viel stärkere Signale liefert als die Streuung, können diese Flächenelemente identifiziert werden. Die zugrunde liegenden phy- sikalischen Prinzipien dieser Reflektometrie (Reflexion von polarisiertem Licht am Medium, Fresnelsche Formeln für senkrechte und für parallele Polarisation sowie das Brechungsgesetz) sind dem Fachmann bekannt.
Figur 3a zeigt, wie aus den Fresnelschen Formeln durch Berechnung von Kurven für das relative Reflexi- onsvermögen zweier unterschiedlicher Stoffe ein Sortierkriterium entwickelt werden kann: Figur 3a zeigt das Reflexionsvermögen abhängig vom Einfallswinkel für die Stoffe Quartz (Brechungsindex = 1.46) und Di- amant (Brechungsindex = 2.41), also für das Beispiel, das ein Unterscheiden von Diamant von Quartzglas gewünscht ist. Die Figur zeigt deutlich die unterschiedlichen Brewsterwinkel für die beiden Materialien; zur Trennung beider Stoffe kann somit eine An- Ordnung unter dem Brewsterwinkel ΘΒ des gesuchten
Stoffes (also z.B. für Diamant unter ΘΒ = 67,5°) erfolgen. Es sind dann diejenigen Reflexionselemente 5 zu ermitteln, bei denen nach der Reflexion lediglich ein Polarisationsanteil verbleibt. Rs ist das Refle- xionsvermögen für senkrecht zur Einfallsebene polarisiertes Licht und Rp ist das Reflexionsvermögen für parallele zur Einfallsebene polarisiertes Licht.
Eine Steigerung der Empfindlichkeit zur Trennung der beiden Stoffe kann durch eine Anpassung der Beleuchtung erfolgen. Beispielsweise kann in einer Anordnung zum Differenzieren von Zirkon (ΘΒ = 63°) die Beleuchtung mittels des Polarisators 23 so eingestellt werden, dass für den Störstoff (beispielsweise Glas oder Metall) die beiden reflektierten Intensitäten gleich sind. Diese Einstellung kann mittels des Polarisators 23 so erfolgen, dann eine Störstoffprobe in das
Messfeld gebracht wird und anschließend die Stellung des Polarisators so verändert wird, bis beide Inten- sitäten gleich sind.
Figur 3b zeigt erneut für das Beispiel Dia- mant/Quartzglas den Reflexionsgrad, ebenfalls (vgl. Fig. 3a) abhängig vom Einfallswinkel Θ.
Bei einer Anordnung, in der als Einfallswinkel der Brewster-Winkel ΘΒ von Diamant gewählt wird, ergibt sich für die optische Unterscheidung von Diamant und von Stoffen mit einem abweichenden Brechungsindex (z.B. Quarzglas) schließlich die in Figur 3c gezeigte Kennlinie. Für das gezeigte Beispiel wurde die Pola- risation der Beleuchtung so eingestellt, dass nicht reflektierende, sondern streuende Partikel bzw. Oberflächenelemente mit Rp = Rs einen Quotienten von 5 haben. Es ergibt sich somit ein Sortierkriterium, das in weitem Bereich monoton mit dem Brechungsindex n fällt.
Bei der Einstellung des Systems zur Identifikation von Zirkon ist das Verhältnis zwischen blauem und rotem Kanal dann auf den parallel zur Förderbandoberfläche ausgerichteten, die Reflexionsbedingung erfüllenden Oberflächenelementen 5 der Zirkonkristalle am höchsten. Das Verhältnis kann somit dazu verwendet werden, in den einzelnen Probenelementen des Schüttgutstroms die Zirkonkristalle zu identifizieren.
Figur 3d zeigt ein entsprechendes Ergebnis, bei dem zur Bildung des Verhältnisses der Blaukanal B durch die Summe beider Kanäle R + B (R = RotkanalIntensität) geteilt wurde. Nach Schwellwertsetzung (Figur 3d rechts) lässt sich gut erkennen, dass im Bild 3
Zirkonkristalle markiert werden. Die Glasscherben (weitere unregelmäßige Elemente in Fig. 3d links) und ein im Schüttgutstrom vorhandener Metallring (Fig. 3d links oben) bleiben dunkel, werden also nicht identifiziert .
Figur 4 skizziert eine weitere Prüfaufgäbe, die mit der in Figur 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung gelöst werden kann: Papier/Gaze wird in der Pro- duktion mit Vaseline beschichtet. Gesucht wird ein
Prüfsystem, das die vollständige Beschichtung während der Produktion automatisch überprüft. Auch hier ba¬ siert der Lösungsansatz gemäß Fig. 1 auf der
Reflektometrie, wobei die hier ebene schichtförmige Probe P unter dem Brewster-Winkel ΘΒ von 55,5° für Vaseline angeordnet wird. Die aus den Fresnelschen Formeln berechneten Kurven für das Reflexionsvermögen von Vaseline zeigt Fig. 4. Zum Vergleich ist der er¬ wartete Verlauf eines homogen mit 20% streuenden Pa¬ piers aufgetragen. Auch hier kann die Trennung der beiden genannten Stoffe wieder durch Auswertung der beiden Kanäle der Polarisationskamera 3 (Test auf Rs = 0, d.h. auf Vorhandensein lediglich parallel zur Grenzfläche polarisierten reflektierten Lichts) durchgeführt werden. Ergebnis der Prüfung ist die Aussage, ob Papier mit Vaseline beschichtet ist oder nicht. Mit Vaseline beschichtete Papierflächen zeichnen sich somit durch eine intensiv blaue Farbe aus, es spricht lediglich der blaue Kanal der Polarisationskamera 3 an. Der Polarisationsgrad der abgebildeten Flächenelemente kann somit aus den Intensitäten B des blauen Kanals und den Intensitäten R des roten Kanals wie folgt berechnet werden: B/ (B+R) . Vaselinebeschichtete Flächenanteile ergeben somit den Wert B/(B+R)=1. Zur Produktionskontrolle kann beispielsweise der beschichtete Flächenanteil am Gesamtflächenanteil ausgewertet werden.
Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Vorrichtung, bei der als Beleuchtungseinheit 2 mehrere einzelne Beleuchtungselemente 2a, 2b in Form von monochromatischen Lichtquellen mit Emissionswellenlängen von jeweils λ = 550 um eingesetzt werden. In Einfallsrichtung gesehen sind hinter jedem Beleuchtungselement 2a, 2b ähnlich wie in Fig. 1 gezeigt, ein Diffusor 22a, 22b und ein Polarisator 23a, 23b angeordnet. Die Detektionseinheit 3 und die Auswerteein- heit 4 (hier nicht gezeigt) sind ähnlich wie im in Figur 1 beschriebenen Fall ausgebildet (Unterschiede s.u.). Die gezeigte Vorrichtung ist als Schüttgutsortiervorrichtung ausgebildet, bei dem das Schüttgut (von dem hier lediglich ein einziges Probenelement P gezeigt ist) einen Probenraumabschnitt 1 in Form eines freien Fallstreckenstücks 6f unterhalb eines Rüttlers (nicht gezeigt) durchquert. Die optische Achse 3o der Polarisationskamera 3 liegt hier in einer horizontalen Ebene senkrecht zur Fallrichtung F der Probenelemente P. In jedem der beidseits dieser horizontalen Ebene ausgebildeten Halbräume ist jeweils ein Beleuchtungselement 2a, 2b (zusammen mit zugehörigem Diffusor 22a, 22b und Polarisator 23a, 23b) angeordnet. Der Winkel zwischen den beiden optischen Achsen 2oa und 2ob der beiden Beleuchtungselemente 2a, 2b und der vorstehend beschriebenen horizontalen Ebene ist jeweils derselbe, die Beleuchtungselemente 2a, 2b und die Kamera 3 sind dabei so angeordnet, dass ihre optischen Achsen 2oa, 2ob und 3o in einer Ebene senkrecht zur vorstehend beschriebenen Horizontalebene liegen.
Aufgrund dieser Anordnung ist somit die Reflexionsbedingung für die beiden Beleuchtungselemente jeweils dieselbe: Die Winkelhalbierende Na trennt den von den beiden optischen Achsen 2oa und 3o bzw. den von der Einfallsrichtung Ea des oberen Beleuchtungselements 2a und der Reflexionsrichtung ZI aufgespannten Winkel in zwei gleichgroße Winkel Θ&Β, d e entsprechend des Brewster-Winkels ΘΒ eines im Probenstrom P zu identifizierenden Materials ausgebildet werden. Ebenso trennt die Winkelhalbierende Nb den durch die optische Achse 2ob des unteren Beleuchtungselements 2b (also das einfallende Licht Eb) und die optische Achse 3o der Polarisationskamera 3 (bzw. den entspre- chenden reflektierten abgebildeten Lichtanteil Zl) aufgespannten Winkel in zwei gleichgroße Winkelabschnitte 0bB. Aufgrund der vorbeschriebenen Anordnung gilt hier QaB = Qb - Beide Beleuchtungselemente 2a und 2b sind somit auf ein und denselben Winkel, den
Brewster-Winkel des zu identifizierenden Materials eingestellt .
Die Identifikation der Reflexionselemente 5 und die sich daran anschließende Auswertung der Polarisationsanteile für diese Reflexionselemente zur optischen Charakterisierung der Probenelemente P erfolgt nun analog zum für Fig. 1 beschriebenen Fall. Allerdings ist die Reflexionsbedingung für das aus der Beleuch- tungseinheit 2a und der Kamera 3 bestehende Teilsystem zu einem anderen, späteren Zeitpunkt erfüllt, als für das weitere, aus dem Beleuchtungselement 2b und der Kamera 3 bestehende Teilsystem: Durchfällt ein Probenelement P die gezeigte Fallstrecke F, so erfül- len an seiner Rückseite (im Bild: oben liegende Seite) liegende Oberflächenelemente die Reflexionsbedingung, sind also Reflexionselemente 5, wenn das betrachtete Probenelement P gerade mit seiner Rückseite auf Höhe der Horizontalebene der optischen Achse 3o angeordnet ist, diese Horizontalebene also gerade
Tangentialebene an die Rückseite des Probenelements P ist. Für das System 2b, 3 ist die Reflexionsbedingung demgegenüber bereits zu einem vor diesem Zeitpunkt liegenden Zeitpunkt erfüllt, nämlich wenn die Vorder- seite des fallenden Probenelements P (im Bild unten liegende Seite) gerade von oben an die Horizontalebene der optischen Achse 3o stößt, diese Horizontalebene also tangential an die Vorderseite des Probenelements P anliegt.
Die signifikanten, potentiell als Reflexionselemente 5 in Frage kommenden Oberflächenelemente der Probe P müssen somit in den durch die Kamera 3o laufend aufgenommenen Abbildern zunächst an der Vorderseite und dann an der Rückseite des abgebildeten Objekts (das wieder durch z.B. gradientenbasierte Bildverarbeitungsmechanismen anhand seines Umrisses identifiziert werden kann) liegen. Insofern unterscheiden sich die Bedingungen zur Identifikation der Reflexionselemente 5 von denen des in Fig. 1 gezeigten Systems, bei dem die Reflexionselemente 5 etwa in der Mitte der Abbilder der einzelnen identifizierten Probenelemente liegen müssen. Abgesehen von den vorbeschriebenen Unterschieden bei der Identifikation der Reflexionselemente 5 kann jedoch die Auswertung der unterschiedlichen Polarisationsanteile für die identifizierten Reflexionselemente zur optischen Charakterisierung der Probe P ganz analog wie im für Fig. 1 beschriebenen Fall erfolgen .
Analog zum in Fig. 2 gezeigten Fall kann auch eine Beleuchtungseinheit eingesetzt werden, die insgesamt statt zwei Beleuchtungselementen 2a, 2b vier Beleuchtungselemente umfasst, die in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse 3o und äquidistant auf einem Kreis um diese optische Achse 3o herum (Winkelabstände der einzelnen Beleuchtungselemente 90°) angeordnet sind. Ähnlich wie im Fig. 2 gezeigten Fall erfolgt dann eine Beleuchtung so, dass Oberflächenelemente am Rand der Objekte P aus vier Himmelsrichtungen inten- sitätsbasiert darauf untersucht werden, ob sie passende Oberflächennormalen N aufweisen. Somit ist eine Charakterisierung der fallenden Probenelemente P des Schüttgutstroms mit bis zu vier Punkten möglich.
Für die Objekte in Fig. 2 kann somit geprüft werden, ob es Flächenelemente bzw. Punkte mit reiner Farbe, z.B. blau (vgl. Beschreibung zur Fig. 1: dann liegt lediglich einer der beiden Polarisationsanteile vor) gibt und ob sich diese Punkte auf der Vorder- oder Rückseite der jeweiligen Probenelemente P (bezogen auf die Bewegungsrichtung F) finden.
Bei entsprechender Einstellung auf den Brewster- Winkel und bei vier einzelnen Beleuchtungselementen im 90°-Abstand (nicht gezeigt) , werden dann Objekte aus dem zu identifizierenden Material gemäß des
Brewster-Winkels 9aB = QbB z.B. durch blaue Bildele¬ mente zu einem zweiten, späteren Zeitpunkt (Abtastung der Vorderfront) , rote Bildelemente zu einem ersten späteren Zeitpunkt (Abtastung der linken und der rechten Seite) und durch weitere blaue Bildelemente zu einem dritten, noch späteren Zeitpunkt (Abtastung der Rückfront) gekennzeichnet.
Figur 5 zeigt schließlich eine weitere erfindungsge- mäße Vorrichtung zur optischen Charakterisierung einer flachen, schichtförmigen Probe P in einem Probenraumabschnitt 1 auf Basis eines Laserscannersystems . Der den Probenraumabschnitt 1 in Richtung SR senkrecht zur Einfallsrichtung E des Lichts eindimensio- nal abscannende Laser 2 als Beieuchtungseinheit strahlt Licht unter dem Einfallswinkel Θ (Winkel zwischen der Probennormalen N und der Einfallsrichtung E des Laserlichts) auf die Probenoberfläche der Probe P ein. Vgl. hierzu Figur 5 rechts oben, die einen
Schnitt senkrecht durch die bestrahlte Probenoberfläche zeigt und Figur 5 rechts Mitte, die eine Aufsicht auf die bestrahlte Probenoberfläche, also einen Blick in Richtung der Normalen N zeigt. Das unter dem entsprechenden Ausfallwinkel Θ (Reflexionsgesetz) re- flektierte Licht Z wird den in Figur 5 links und Mitte gezeigten Empfänger 3 zur Auswertung zugeleitet. Die in Figur 5 gezeigte Vorrichtung basiert auf der Überlegung, dass der Emissionslaser 2 des gezeigten Scanners monochromatische, kohärente Strahlung emit- tiert, sodass die von der Probe empfangene Strahlung
E bereits vollständig polarisiert ist. In diesem Fall genügt somit die Detektion von drei Stokesparametern aus den reflektierten Laserlichtanteilen Z zur vollständigen Charakterisierung des Polarisationszustands der reflektierten bzw. detektierten Lichtstrahlung Z.
Der gezeigte Empfänger 3 umfasst nun in Einstrahlrichtung des reflektierten Lichtanteils Z gesehen im Strahlengang nacheinander die folgenden Bauteile:
- Einen zum Fokussieren des an der Probenoberfläche P reflektierten Lichtanteils Z auf eine Strahlteilerplatte 8 ausgebildeten Hohlspiegel 40.
- Die polarisationserhaltende Strahlteilerplatte 8, mit der jeweils 50% der einfallenden, reflektierten Strahlung Z in einen ersten Teilstrahlengang Tl und in einen zweiten Teilstrahlengang T2 aufgeteilt wird.
- Im ersten Teilstrahlengang Tl : zunächst eine
Verzögerungsplatte (λ/4-Platte) 9, die das Licht des ersten Teilstrahlengang Tl auf einen ersten Polarisations-Strahlteiler 10a lenkt, der zur Unterscheidung zweier zueinander orthogonaler Polarisationsanteile des einfallenden Lichts ausgebildet ist. Der erste dieser beiden Polarisationsanteile wird mit einem ersten Empfangselement IIa nachgewiesen, der andere dieser beiden Polarisationsanteile mit einem weiteren Empfangselement IIb (Intensitätsdetektoren) .
- Der zweite Teilstrahlengang T2 ist grundsätzlich ebenso wie der erste Teilstrahlengang Tl aufge- baut, hier ist allerdings die Verzögerungsplatte 9 weggelassen, sodass in diesem Teilstrahlengang lediglich ein zweiter Polarisations-Strahlteiler 10b und zwei weitere Empfangselemente 11c und lld angeordnet sind, mit denen die beiden zueinander orthogonalen Polarisationsanteile im zweiten Teilstrahlengang T2 nachweisbar sind. - Die vier Empfangselemente IIa bis lld sind dann jeweils über birektionale Signalleitungen mit einer Auswerteeinheit 4 verbunden (nicht gezeigt) .
Mit dem gezeigten Empfänger 3 kann somit der Polarisationszustand der reflektierten Strahlung Z vollständig wie folgt charakterisiert werden:
Mithilfe der Empfangselemente 11c und lld des Teilstrahlengangs T2 werden die Intensitäten Io und Igo für zwei lineare, zueinander orthogonale Polarisationsanteile bestimmt. Die Kombination der Verzögerungsplatte 9 und des Teilers 10a ergibt einen
Strahlteiler zur Aufspaltung des einfallenden Lichts in rechtszirkular und linkzirkuar polarisiertes
Licht. (Intensitäten IRZ und ILZ für rechtszirkular und für linkszirkular polarisiertes Licht) . Somit können vier unterschiedliche Polarisationsanteile bestimmt werden.
Die vier gesuchten Stokesparameter I, S, U und V lassen sich somit aus den mit den Empfangselementen IIa bis lld nachgewiesenen, also den zueinander orthogonalen linearen Polarisationsanteilen (Intensitäten I0 und Igo) und den zirkulären Polarisationsanteilen (rechtszirkular polarisierter Anteil mit der Intensität IRZ und linkszirkular polarisierter Anteil mit der Intensität ILZ) wie folgt bestimmen I = I0 + I90
S = Io — I 0
V = IRZ - ILZ /
wobei dann mit der Nebenbedingung für monochromati- sehe kohärente Laserstrahlung von
S + u + V = 1
der vierte Stokesparameter U = I45 - I135 berechnet werden kann. Die gezeigte Vorrichtung zur optischen Charakterisierung aus Figur 5 ermöglicht somit die Berechnung des vollständigen Polarisationszustandes des reflektierten Lichtanteils Z aus den empfangenen SignalIntensitäten der vier Empfangselemente IIa bis lld. Da der Polarisationszustand des reflektierten Lichts Z von dem jeweils untersuchten Probenmaterial der Probe P abhängt, lässt sich die in Figur 5 gezeigte Vorrichtung zur Materialcharakterisierung der Probe P verwenden.
Werden Empfängerstrahlengang und Senderstrahlengang im gleichen Gehäuse realisiert (integrierte Sende- und Empfangseinheit) kann eine entsprechende Charakterisierung des Materials erfolgen, sofern das an der Probe (spiegelnd) reflektierte Licht auf einen Retro- reflektor trifft, der die Strahlen in sich zurück zur kombinierten Sende- Empfangseinheit reflektiert. Im Unterschied zu der Anordnung mit getrenntem Sender und Empfänger wird das Licht jedoch zweifach an der Probe reflektiert. Die Polarisationseffekte an der
Probe gehen damit quadratisch in die empfangenen Intensitäten ein.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung einer Probe (P) und/oder des/der Materials/ien derselben mit einer zur Beleuchtung eines Probenraumabschnitts (1), in den die Probe (P) einbringbar ist, mit einfallendem Licht (E) ausgerichteten oder aus¬ richtbaren Beleuchtungseinheit (2) , einer zum Abbilden der in den Probenraumabschnitt (1) eingebrachten Probe (P) durch Empfang von durch die Probe (P) zurückgeworfenem Licht (Z) ausgerichtete oder ausrichtbare Detek- tionseinheit (3) , die zum Erfassen mindestens zweier unterschiedlicher, bevorzugt zweier orthogonaler, Polarisationsanteile im zurückge¬ worfenen Licht (Z) ausgebildet ist, und einer Auswerteeinheit (4) , mit der in den von der Detektionseinheit (3) aufgenommenen Abbildungsdaten diejenigen abgebildeten Oberflächenelemente (Reflexionselemente 5) der Probe (P) identifizierbar sind, deren zurückgeworfenes, empfangenes Licht (Z, Zl) auf einer Reflexion des einfallenden Lichts (E) an der Probe (P) beruht, und mit der die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile für diese Reflexionselemente (5) zu der optischen Charakterisierung auswertbar sind.
2. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinheit (4) zuerst die Reflexi¬ onselemente (5) identifizierbar sind, bevor für die und/oder auf Basis der identifizierten Ref¬ lexionselemente (5) die erfassten unterschiedli chen Polarisationsanteile auswertbar sind, oder dass mit der Auswerteeinheit (4) erfasste unter schiedliche Polarisationsanteile von abgebildeten Flächenelementen auswertbar sind zum Bestim men der Reflexionselemente (5) der Probe (P) , bevor für die so bestimmten Reflexionselemente (5) die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile zu der optischen Charakterisierung auswertbar sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Identifizieren der Reflexionselemente (5) notwendige Unterscheiden von Reflexionselementen (5) und von abgebildeten Oberflächenelementen (Streuelementen 6) der Probe (P) , deren zurückgeworfenes, empfangenes Licht (Z, Z2) nicht auf einer Reflexion des einfallenden Lichts (E) an der Probe (P) beruht, auf Basis der Intensität (en) von Abbildungsdate einer, mehrerer oder aller der erfassten Polari sationsanteile erfolgt, insbesondere auf Basis von Intensitätsdifferenzen und/oder von Intensi tätsverhältnissen unterschiedlicher erfasster Polarisationsanteile und/oder auf Basis der Ge- samtintensität aller erfasster Polarisationsanteile erfolgt, und/oder auf Basis der Lage des Bildes von Oberflächenelementen der Probe (P) in einem oder in mehreren von der Detektionseinheit (3) erzeugten Abbild (ern) der Probe (P) relativ zueinander und/oder relativ zu einem oder mehreren Bezugspunkt (en) des/der Abbildes/r der Probe (P) , insbesondere zu dem/den Mittelpunkt ( en) und/oder zu einem oder mehreren Randpunkt (en) des/der Abbildes/r der Probe (P) , erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile für eines oder mehrere der Reflexionselemente (5) zu der optischen Charakterisierung auswertbar sind durch Bilden eines oder mehrerer Verhältnisse (s) von zwei der für das jeweilige Reflexionselernent erfassten unterschiedlichen Polarisationsanteile .
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (2Θ) zwischen der Detektionseinheit (3) und/oder deren optischer Achse (3o) einerseits und der Beleuchtungseinheit (2) und/oder deren optischer Achse (2o) andererseits in dem durch erstens die Detektionseinheit (3), zweitens die Beleuchtungseinheit (2) und drittens den Probenraumabschnitt (1) , insbesondere dessen Mittel- und/oder Schwerpunkt, und/oder die Probe (P) aufgespannten Dreieck kleiner als 180° ist, bevorzugt auf einen Wert zwischen 60° und 140° eingestellt ist, und/oder dass als Reflexionselemente (5) diejenigen Oberflächenelemente identifizierbar sind, deren Normale (N) den vorstehend genannten Winkel (2Θ) halbieren .
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur optischen Charakterisierung eines definierten Materials der Probe (P) ausbildbar ist oder ausgebildet ist durch Einstellen des Winkels (2Θ) auf den doppelten
Brewsterwinkel (ΘΒ) dieses Materials.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit ein einzelnes Beleuchtungselement (21) umfasst oder dass die Beleuchtungseinheit (2) mehrere einzelne Beleuchtungselemente (2a, 2b) umfasst, die zur Beleuchtung des Probenraumabschnitts (1) mit einfallendem Licht (Ea, Eb) aus unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet oder ausrichtbar sind, wobei bevorzugt darüber hinaus mindestens eines, bevorzugt jedoch mehrere oder alle der folgenden Merkmale in Kombination miteinander verwirklicht sind:
• Der Winkel (29a, 29b) zwischen der Detektions- einheit (3) und/oder deren optischer Achse
(3o) einerseits und dem Beleuchtungselement (2a, 2b) und/oder dessen optischer Achse (2oa, 2ob) andererseits in dem durch erstens die Detektionseinheit (3), zweitens das Be- leuchtungselement (2a, 2b) und drittens den
Probenraumabschnitt (1) , insbesondere dessen Mittel- und/oder Schwerpunkt, und/oder die Probe (P) aufgespannten Dreieck ist bei allen Beleuchtungselementen (2a, 2b) identisch. · Die Beleuchtungseinheit (2) umfasst zwei oder vier einzelne Beleuchtungselemente (2a, 2b) .
• Alle Beleuchtungselemente (2a, 2b) sind auf der der Detektionseinheit (3) gegenüberliegenden Seite des Probenraumabschnitts (1) und/oder der Probe (P) und bevorzugt auch in einer bevorzugt senkrecht zur optischen Achse (3o) der Detektionseinheit (3) ausgerichteten Ebene angeordnet .
• Die Beleuchtungseinheit (2) umfasst mehrere einzelne Beleuchtungselemente (2a, 2b) , die in äguidistanten Winkelabständen, bevorzugt, bei vier Beleuchtungselementen (2a, 2b) , in Winkelabständen von 90°, auf einem Kreis um die optische Achse (3o) der Detektionseinheit (3) herum angeordnet sind.
• Mindestens eines, bevorzugt mehrere, bevorzugt alle der Beleuchtungselemente (2a, 2b) sind, relativ zur Detektionseinheit (3) und/oder deren optischer Achse (3o) gesehen, so angeordnet, dass für das/die Beleuchtungseiementie) (2a, 2b) und/oder dessen/deren optische Achse (n) (2oa, 2ob) Winkelverhältnisse gelten, wie sie in den beiden vorhergehenden Ansprüchen für die Beleuchtungseinheit beschrieben sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Oberflächenprüfung einer Probe, insbesondere zur Oberflächenprüfung einer ebenen Beschichtung als Probe, ausgebildet ist, dass die Vorrichtung zur Charakterisierung, Differenzierung und/oder Trennung von einzelnen Elementen einer eine Vielzahl von Elementen umfassenden Probe, insbesondere einer Probe in Form eines Schüttgutstroms, ausgebildet ist, und/oder dass die Vorrichtung zum Identifizieren und Aussortieren von Proben und/oder von Elementen derselben, die in einem oder mehreren vordefinierten Materialparameter (n) von (einem) festgelegten Wert(en) abweichen, ausgebildet ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Probenraumabschnitt (1) als freies Flugoder Fallstreckenstück (6f) oder als Förderbandabschnitt (7) einer die Vorrichtung umfassenden Schüttgutsortieranlage ausgebildet ist. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Laserscanner mit einem oder mehreren vorzugsweise kohärenten Laser(n), insbesondere mit (einem) im Wellenlängenlängenbe- reich zwischen 380 nm und 780 nm emittierende (n) Laser (n), als den Probenraumabschnitt (1)
und/oder die Probe abscannender Beleuchtungseinheit (2, 21) und/oder Beleuchtungselement ( en) (2a, 2b) und mit einem zum Empfang des von der Probe (P) zurückgeworfenen Laserlichts geeigneten Empfängers als Detektionseinheit (3) ausgebildet ist oder dass die Vorrichtung als Beleuchtungseinheit
(2,21) oder als Beleuchtungselement (e) (2a, 2b) eine oder mehrere monochromatische, bevorzugt kohärente und monochromatische, Lichtquelle (n) , insbesondere eine oder mehrere im Wellenlängen- längenbereich zwischen 380 nm und 780 nm emittierende Lichtquelle (n) , und als Detektionseinheit (3) mindestens eine Kamera, insbesondere eine Polarisationskamera und/oder eine CCD- basierte Kamera, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (3) und/oder die Beleuchtungseinheit (2) gemäß einem der folgenden Merkmale aufgebaut ist/sind: Die Detektionseinheit (3) umfasst zwei Ein¬ zelkameras und ein im Strahlengang vor den Einzelkameras angeordnetes polarisierendes optisches Element, insbesondere ein polarisierendes Prisma oder einen polarisierenden Strahlteiler, mit dem das von der Probe (P) zurückgeworfene Licht in zwei unterschiedliche Polarisationsanteile zerlegbar ist und mit dem jeweils das Licht einer der beiden Polarisationsanteile auf eine der beiden Einzelkameras lenkbar ist.
Die Detektionseinheit (3) umfasst eine mehr¬ zellige Kamera und eine der Zeilenzahl der Kamera entsprechende Anzahl von Polarisato- ren, die im Strahlengang vor der Kamera angeordnet sind, wobei vor aufeinander folgenden Zeilen der Kamera jeweils alternierend unterschiedlich, insbesondere orthogonal, ausgerichtete Polarisatoren angeordnet sind, die das von der Probe (P) zurückgeworfene Licht auf die ihnen jeweils zugeordnete Kamerazeile richten.
Die Detektionseinheit (3) umfasst eine Kamera, wobei im Strahlengang vor dem Sensorchip, insbesondere dem CCD-Chip, der Kamera ein Polarisations-Streifen-Filter oder ein Polari- sations -Mosaikfilter angeordnet ist, der das von der Probe (P) zurückgeworfene Licht in die unterschiedlichen Polarisationsanteile zerlegt und diese zeilenweise oder entsprechend der Mosaikanordnung auf die jeweiligen Sensorzellen richtet.
Die Detektionseinheit (3) umfasst eine bevorzugt mehrzellige Kamera und die Beleuchtungs- einheit (2) umfasst mehrere unterschiedlich polarisierte Beleuchtungs-Untereinheiten, die alle zur Beleuchtung des Probenraumabschnitts (1) und/oder der Probe (P) mit einfallendem Licht (E) ausgerichtet oder ausrichtbar sind, wobei die Beleuchtungs-Untereinheiten jeweils einzeln und zeitlich nacheinander für eine vordefinierte Zeitdauer zu dieser Beleuchtung einschaltbar und nach dieser Zeitdauer wieder abschaltbar sind.
• Die Beleuchtungseinheit (2) umfasst einen den Probenraumabschnitt (1) und/oder die Probe (P) zeilenweise abscannenden Laser und die Detektionseinheit (3) umfasst einen zum Empfang des von der Probe (P) zurückgeworfenen Laserlichts geeigneten Empfänger mit einem oder mehreren optischen Element (en) zur Trennung des empfangenen Laserlichts nach den unterschiedlichen Polarisationsanteilen und, im Strahlengang nach diesem/n Element (en), einer der Anzahl der resultierenden Teilstrahlen entsprechenden Anzahl von Empfangselementen.
Vorrichtung zur optischen Charakterisierung einer Probe (P) und/oder des /der Materials /ien derselben mit einem zum ein- oder zweidimensionalen Abscannen (SR) eines Probenraumabschnitts (1) , in den die Probe (P) einbringbar ist, mit einfallendem Licht (E) ausgerichteten oder ausrichtbaren Laser (2) als Beleuchtungseinheit oder Teil derselben, einem zum Empfang von durch eine in den Probenraumabschnitt (1) eingebrachte Probe (P) zurück- geworfenem Licht (Z) ausgerichteten oder aus¬ richtbaren Empfänger (3) als Detektionseinheit oder Teil derselben, wobei der Empfänger (3) umfasst:
• einen ersten, bevorzugt für das von der Probe (P) zurückgeworfene Licht (Z) polarisations- erhaltenden Strahlteiler (8) zum Teilen des auf den Empfänger auftreffenden Laserlichts in einen ersten (Tl) und einen zweiten (T2) Teilstrahlengang,
• jeweils im ersten und im zweiten Teilstrahlengang (Tl, T2): ein polarisierendes optisches Element (10a, 10b) , insbesondere ein polarisierendes Prisma oder einen polarisierenden Strahlteiler, mit dem das Licht des jeweiligen TeilStrahlengangs (Tl, T2) in zwei unterschiedliche Polarisationsanteile zerlegbar ist, wobei im Strahlengang edes der beiden so getrennten Polarisationsanteile jeweils ein Em fangselernent (IIa, IIb, 11c, lld) zum Nachweis von Licht des jeweiligen Polarisationsanteils angeordnet ist, und
• lediglich in einem (Tl) der beiden Teilstrahlengänge (Tl, T2) nach dem Strahlteiler (8) und vor dem polarisierenden optischen Element (10a) ein Polarisations-Änderungselement (9), mit dem die Polarisation des Lichts dieses Teilstrahlengangs (Tl) veränderbar ist, insbesondere eine bevorzugt als λ/4-Platte ausgebildete Verzögerungsplatte, und einer Auswerteeinheit (4), mit der auf Grundlage der von den Empfangselernenten (IIa, IIb, 11c, lld) des Empfängers (3) nachgewiesenen unterschiedlichen Polarisationsanteile der Polarisationszustand des von der Probe (P) zurückgewor- fenen Lichts (Z) bestimmbar ist zu der optischen Charakterisierung .
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die den Laser (2) umfassende Beieuchtungseinhert und die den Empfänger (3) umfassende Detektions- einheit integriert als Sende- und Empfangseinheit ausgebildet sind und dass die Vorrichtung einen Retroreflektor wie folgt umfasst: Der Laser (2) und der Empfänger (3) der Sende- und Empfangseinheit sowie der Retroreflektor sind so angeordnet und ausgerichtet, dass eine in den Probenraumabschnitt (1) eingebrachte Probe (P) mit dem Laser beleuchtbar ist und dass durch die Probe (P) zurückgeworfene, insbesondere an der Probe (P) gestreute, diffus reflektierte, spiegelnd reflektierte oder transmittierte, Laserlichtstrahlanteile an dem Retroreflektor so in sich zurückreflektierbar sind, dass die in sich zurückreflektierten Laserlichtstrahlanteile, bevorzugt über die Probe (P) , in die Sende- und Empfangseinheit gelangen, zum dortigen Aufteilen auf den ersten (Tl) und den zweiten (T2) Teil- strahlengang durch den Empfänger (3) .
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende- und Empfangseinheit so ausgebildet ist, dass die vom Laser (2) ausgehenden, die Probe (P) beleuchtenden Laserlichtstrahlanteile einerseits und die durch die Zurückreflexion in die Sende- und Empfangseinheit gelangten Laserlichtstrahlanteile andererseits, bevorzugt durch Anordnung und Ausrichtung eines weiteren Strahlteilers, auf dieselbe optische Achse gekoppelt sind.
15. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Strahlteiler (8), die polarisierenden optischen Elemente (10a, 10b) , das Polarisati- ons-Änderungselement (9) und die Empfangselernen- te (IIa, IIb, 11c, lld) ausgebildet sind, angeordnet sind oder angeordnet werden können und/oder eingestellt oder einstellbar sind zum Bestimmen von drei von vier Stokesparametern des zurückgeworfenen Lichts (Z) aus den nachgewiesenen unterschiedlichen Polarisationsanteilen und dass der Polarisationszustand des von der Probe (P) zurückgeworfenen Lichts (Z) aus den drei so bestimmten Stokesparametern unter Heranziehen einer Nebenbedingung für kohärentes Licht bestimmbar ist.
16. Verfahren zur optischen Charakterisierung einer Probe (P) und/oder des/der Materials /ien derselben, dadurch gekennzeichnet, dass die Charakterisierung unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche erfolgt.
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